Simulaciones del transporte de iones en un Tokamak y aplicación ASCOT al MAST-U (Reino Unido)

Abstract

El transporte de iones rápidos (aquellos que tienen una energía superior a la energía del plasma térmico) es de suma importancia en reactores de fusión por confinamiento magnético, pues tiene implicaciones directas sobre el calentamiento del plasma y la inducción de corriente en el mismo, necesaria para la estabilidad dinámica del sistema. De hecho, uno de los métodos de calentamiento más utilizados y desarrollados en estos dispositivos es la inyección de haz de neutrales (NBI, Neutral Beam Injection), que genera una distribución de iones rápidos en el seno del plasma para que estos le transfieran progresivamente su energía. Sin embargo, la mayor energía de los iones rápidos provoca una cierta tendencia a escapar del confinamiento magnético, lo cual da lugar a pérdidas por colisión con la pared interna de la cámara de vacío del reactor, poniendo en peligro su integridad material y mermando el rendimiento operativo. Este efecto motiva la gran importancia que tiene un buen confinamiento de los iones rápidos en el correcto funcionamiento del reactor. Por tanto, el enfoque principal del trabajo es realizar un análisis de sensibilidad de la inyección NBI y el transporte de iones aplicado a un tokamak (reactor toroidal basado en el confinamiento magnético mediante líneas de campo cerradas), a través de un conjunto de simulaciones variando los parámetros geométricos del inyector y las condiciones iniciales de los iones rápidos generados. En aras de apoyar el diseño y optimización de la inyección NBI en el tokamak SMART de la US, y con el fin de producir una serie de resultados que sirvan de referencia en dicha tarea, este análisis se aplicará al tokamak MAST-U. Este dispositivo es una mejora reciente del tokamak esférico MAST, uno de los reactores experimentales más grandes de este tipo y, asimismo, uno de los más prometedores en la demostración de ideas innovadoras y del potencial de la configuración esférica para su uso futuro en reactores de fusión operativos. El flujo del trabajo principal será el siguiente: en primer lugar, se implementarán las características reales de MAST-U y sus inyectores NBI para simular la inyección utilizando el código BBNBI (Beamlet-Based NBI-model) y, posteriormente, seguir el conjunto de órbitas de los iones rápidos generados mediante el código ASCOT (Accelerated Simulation of Charged particle Orbits in Toroidal devices), registrando las colisiones con la pared. Ambos códigos, por su alta complejidad y coste computacional, han de ser ejecutados en un supercomputador, siendo utilizados en nuestro caso los recursos de MARCONI en Italia. Tras analizar los resultados del estudio de sensibilidad respecto a los parámetros de inyección del NBI, se tomarán las propiedades de iones representativos para simular las órbitas individuales y analizar su topología y su forma en función de las condiciones iniciales. De forma previa al trabajo en ASCOT, se elaborará un modelo aproximado del campo magnético de MAST-U para implementarlo en un código de MATLAB que será capaz de calcular las órbitas individuales de los iones. Ajustando los parámetros del campo magnético y de las propias partículas para equipararlos al estudio realizado en ASCOT, se realizará el mismo tipo estudio de sensibilidad a las condiciones iniciales, comparándolo con el anterior.