1,720,988 research outputs found
Temperature dependence of pinches in tokamaks
No full textThe issue of turbulent pinches induced by inhomogeneities in the magnetic field confining tokamak plasmas is studied in the framework of the self-consistent action-angle transport theory. It is found that, in magnetic turbulence, electron particle and energy fluxes proportional to the magnetic shear and originating from the toroidal frequency of the particle motion are different from zero only if the electron temperature is different from the ion temperature, independent of whether the electrons are trapped or untrapped. Restricting to passing electrons, it is shown that both the magnitude and the sign of these fluxes depend crucially on the ratio Ti/Te
The tilted-coil concept for advanced tokamak devices
Full text linkThe implications of the adoption of a tokamak’s toroidal field coil characterized by tilting in the azimuthal direction are investigated. The major advantage introduced by tilted coils is that of a drastic reduction over most of the coil section of the electromagnetic forces. As a beneficial side-effect, the tilted coils generate a poloidal field, in addition to the toroidal field. The former advantage allows for a notable simplification of the machine layout, while the poloidal flux generated during the current rise, when used in conjunction with the conventional central solenoid, allows for discharges of much longer duration with respect to those obtainable in tokamaks with conventional (non-tilted legs) coils
Current Density Equation in Turbulent Magnetized Plasmas
Full text linkA turbulent extension of Ohm’s law, derived from the self-consistent action-angle transport theory, is
presented. The equation describes the steady-state profile of the current density in axisymmetric magnetized plasmas in
the presence of magnetic turbulence. The hyper-resistive, helicity-conserving contribution, usually derived in the
framework of magneto-hydro-dynamics, is recovered, and the hyper-resistivity is defined. Additionally, the generalized
Ohm’s law contains an anomalous resistivity term, and a term proportional to the current density derivative. For given
thermodynamic profiles, the numerical solution of the equation shows that turbulent contributions, besides regularizing
the current density profile in the central region, lead to an increase of the total plasma current. This “turbulent bootstrap”
effect provides a possible explanation to discrepancies recently observed between experimental current profiles and
neoclassical predictions
Turbulent sources in axisymmetric plasmas
No full textSuccessful operation of tokamaks and other magnetic confinement schemes of fusion interest rely on the tailoring of the parallel momentum/current density and temperature profiles via resonant absorption of externally injected waves. Similarly, it is to be expected that a turbulent spectrum of waves, internally generated to free the energy stored in the gradients of the equilibrium profiles, could transfer locally momentum and energy to the particle degree of freedom of the plasma. Turbulent sources stem out nicely from the action-angle transport formalism, as a detailed derivation of the general transport law from the collision operator (which includes both the diffusion and the friction coefficients) in action-space shows. The special case of magnetic turbulence is considered, and explicit expressions for the electron parallel momentum and energy sources are presented. An interesting feature of the sources resides in their dependence on the first and second powers of the safety factor derivative, a dependence that is often found in turbulent fluxes as well. One term in the energy source depends, in a determinant way, also on the relative magnitude of the electron and ion temperature. This dependence, an output of the retention of the friction term in the collision operator, leads to an energy flow that is always directed from the hotter to the cooler species, a desirable property that is missed when a quasilinear approach is employed
Ottimizzazione della strumentazione di monitoraggio neutronico del nocciolo di un reattore LFR
Full text linkIl presente lavoro ha avuto come obiettivo lo studio di scelta ed ottimizzazione della strumentazione neutronica per il monitoraggio di flussi neutronici da reattori veloci, con particolare attenzione verso i Lead Fast Reactor, in ambienti ostili per la tecnologia, in cui i fattori limitanti per i rivelatori risultano essere l’alta temperatura (mediamente 400 ÷ 500 °C) ed un alto rateo di dose gamma.
Partendo dalla strumentazione neutronica commercialmente disponibile, si sono proposti miglioramenti e soluzioni innovative al fine di ottimizzare l’efficacia e l’adeguatezza del sistema di strumentazione, monitoraggio e controllo di reattore. Un tale lavoro deve necessariamente affiancare la fase di progetto del reattore stesso cosicché la strumentazione prevista possa essere efficacemente integrata con le soluzioni progettuali concernenti il disegno neutronico e termoidraulico.
L’identificazione di modelli innovativi per la strumentazione neutronica specializzata per reattori LFR, piuttosto recenti se confrontati con i fratelli maggiori Sodium Fast Reactor, richiede che sia ben identificato il tipo di ambiente in cui le sonde andranno ad operare. Non
essendo presente, al momento, una sufficiente quantità di dati sperimentali in grado di fornire indicazioni precise riguardo il campo di radiazione o la strumentazione da impiegare in tali reattori, l’approccio più efficace e conveniente -almeno in fase preliminare- per colmare tali lacune è la simulazione mediante codici di calcolo. Focalizzandosi questo lavoro sull’aspetto del monitoraggio
neutronico, saranno assunte le condizioni chimiche e termo-idrauliche dell’ambiente reattore, mentre saranno estensivamente studiati gli aspetti nucleari mediante il codice Monte Carlo di trasporto di radiazione MCNPX ver.2.7.0.
Come reattore di riferimento è stato scelto il prototipo LFR dimostrativo nel panorama europeo, ALFRED, del quale si è simulato, tramite MCNPX, il pressure vessel e tutte le strutture interne a un elevato livello di dettaglio, al fine di ricavare il termine sorgente per la strumentazione, ovvero il flusso neutronico per le posizioni di reattore che possono verosimilmente alloggiare la strumentazione.
Si sono dapprima valutate le prestazioni della strumentazione commercialmente disponibile, illustrandone criticamente le potenzialità e le problematiche d’impiego al caso in esame. Successivamente, sono stati proposti sviluppi e miglioramenti alle tecnologie in uso, con l’obiettivo di delineare modifiche potenzialmente attuabili al fine di ottimizzare la strumentazione per ambienti tipo LFR, prospettando così la possibilità di sviluppare e costruire rivelatori ad hoc, sia per il monitoraggio in-core che out-of-core, con possibilità di test in impianti sperimentali in grado di fornire spettri neutronici veloci.
Il primo passo dello studio è consistito nell’analisi della strumentazione correntemente utilizzata per SFR, valutandone prestazioni e caratteristiche quando trasposta al reattore LFR ALFRED. Diversi modelli di camere a fissione ed Self-Powered Neutron Detectors, SPND, resistenti ad alte temperature sono stati analizzati dal punto di vista della risposta a diversi flussi neutronici, mostrandone limiti e criticità.
La strumentazione commercialmente disponibile si è dimostrata applicabile, ma non completamente adeguata alle esigenze di monitoraggio del reattore studiato, evidenziando la necessità di studiare soluzioni progettuali innovative che siano corredate anche da esperienze sperimentali in flussi neutronici veloci. Per quanto concerne l’avviamento del reattore e la fase transitoria di salita in potenza, la strumentazione raccomandata consiste in camere e microcamere a fissione, sufficientemente sensibili per monitorare le decadi di flusso neutronico competenti allo start-up e all’intermediate range di reattore. Per quanto riguarda il livello di potenza nominale, gli alti ratei di flusso neutronico competenti al power range di ALFRED (300MWth), combinati con le elevate sensitività delle camere a fissione, non consentono a tale strumentazione di poter operare oltre 6÷12 mesi; i rivelatori di tipo prompt-SPND si dimostrano essere più appropriati in termini di affidabilità e durabilità nel tempo, sebbene vadano verificate le loro prestazioni, vista l’esiguità dei segnali elettrici prodotti, in alcuni casi anche alla potenza nominale del reattore.
Un quadro verosimile della strumentazione applicabile al reattore ALFRED può riassumersi come segue:
1) start-up: quando il flusso neutronico risulta compreso tra 10E0 ÷ 10E6 n/(cm2 s) ed il fondo gamma di reattore è notevolmente intenso, solo le camere a fissione possono essere efficacemente utilizzate come strumentazione in-core, perché particolarmente sensibili al campo neutronico quando esercite in pulse mode;
2) intermediate range: quando il flusso neutronico risulta compreso tra10E6÷10E12 n/(cm2 s) e il fondo gamma di reattore assume -generalmente- lo stesso ordine di grandezza del campo neutronico e le camere a fissione possono continuare ad essere efficacemente impiegate, tipicamente in Mean Square Voltage mode;
3) power range: quando il flusso neutronico è compreso tra 10E12 ÷10E15 n/(cm2 s), il fondo gamma di reattore può essere considerato trascurabile per le camere a fissione, che dovranno essere esercite in current mode data l’abbondanza delle interazioni neutroniche all’interno del volume sensibile. Il campo neutronico è qui troppo intenso perché le camere a fissione durino a lungo nel tempo, a causa della loro intrinsecamente alta sensitività ai neutroni.
Strumenti meno sensibili, gli SPND a risposta pronta, possono efficacemente prendere il posto delle camere a fissione come strumentazione in-core di monitoraggio e controllo del reattore.
Si è fornita una concettualizzazione delle innovazioni applicabili alla strumentazione in generale, con particolare riguardo ai SPND a risposta pronta (oggi poco sperimentati perché non utili nell’attuale panorama reattoristico che si serve dei loro "fratelli maggiori", i SPND_ritardati), delineando possibilità innovative per la misura di flussi neutronici corrispondenti alla potenza nominale di reattore. L’intrinsecamente bassa sensitività della strumentazione SPND può difatti consentire una loro installazione fissa negli elementi di combustibile, essendo il loro rateo di burn-up sufficientemente basso da farli durare a lungo, anche se irraggiati con fluenze
superiori a quelle limite per le camere a fissione di corrente uso.
Nell’ottica di sviluppare quest’ultimo tipo di tecnologia strumentale, si è validata la simulazione Monte Carlo MCNPX per strumentazione SPND in monitoraggio di flussi neutronici veloci attraverso prove già svolte nel reattore veloce TAPIRO del Centro Ricerche ENEA Casaccia nell’ambito di progetti di ricerca riguardanti la fusione nucleare, identificando -così- uno strumento di calcolo che consenta di poter ottimizzare e ri-progettare al calcolatore tali rivelatori, migliorandone prestazioni, ottimizzandone caratteristiche e durata nel tempo.
Nuovi materiali sensibili per tale classe di strumenti sono stati analizzati, insieme con lo studio del burn-up a seguito d’irraggiamento e la verifica della loro risposta dinamica alle variazioni di flusso neutronico. Si è studiata una concettualizzazione di una sonda innovativa
basata su SPND che consenta, oltre che le convenzionali misure di flusso neutronico integrato in energia, anche una valutazione delle caratteristiche spettrali dei neutroni, combinando misure da diversi SPND e risolvendo matematicamente un problema di unfolding spettrale.
La disponibilità del reattore TAPIRO di ENEA Casaccia può consentire lo studio sperimentale delle principali caratteristiche di prestazione degli strumenti detti, permettendo di acquisire una preziosa esperienza sul campo. Nel prossimo futuro, un SPND prototipo potrà esser costruito e testato, verificando sperimentalmente l’effettiva possibilità tecnica per tale strumentazione di monitorare flussi neutronici veloci.
Il presente lavoro di tesi è il risultato di una collaborazione triennale con il Centro Ricerche ENEA Casaccia, nei laboratori UT-FISST/MEPING prima e FSN/FISS/CRGR poi, ed è stato inquadrato nei Piani Annuali di Ricerca 2013, 2014 e 2015 dell’Accordo di Programma Ministero dello Sviluppo Economico-ENEA
Theory and application of the generalized Balescu-Lenard transport formalism
No full textIn the first part of this article, a comprehensive overview is given of the "generalized Balescu-Lenard" (gBL) transport theory, a self-consistent action-angle transport formalism arising from the gBL collision operator.In the second part of this article, applications of the gBL transport theory obtained by specifying the details of the underlying perturbing spectra are presented. The article ends with a formal, fully turbulent generalization of the gBL operator
Magnetic relaxation and hyper-resistivity during helicity injection.
No full textTransport theory is applied to magnetic helicity injection into plasmas with toroidal geometry. Magnetic relaxation during helicity injection can be described as hyper-resistive diffusion of the current. By using the generalized Balescu-Lenard extension of quasi-linear transport theory, it is shown that hyper-resistive diffusion is generally slow compared with heat transport. It follows that magnetic relaxation due to such turbulence tends to flatten the temperature profile, as observed in reversed-field pinches. Given flattened temperature profiles, Taylor's minimum principle for magnetic relaxation is usefully reformulated as minimum dissipation, yielding circuit equations for electrostatic helicity injection in laboratory devices such as spheromaks and tokamaks. A favorable heat pinch could benefit helicity injection into tokamaks. These results are also relevant to natural phenomena involving the generation of fields by magnetic relaxation
Depolarization of Magnetically Confined Plasmas
No full textIn a tokamak plasma, reaching the critical energy balance for ignition, for which the gain factor Q =energy output/energy input= ∞, or even the Q ∼ 40 − 50 value needed for reactor operation, is a very challenging task—for example, a plasma 4 temperature of the order of hundreds of million degrees is needed, a value much higher than the core temperature of the sun. The help that can come from a fusion cross section enhancement due to the appropriate polarization of the reacting nuclei could be instrumental in achieving the goal. Two works carried out in the 80s have provided insight on the effective ability of a spin-polarized D–T thermonuclear plasma to preserve the polarization status of the fuel nuclei (Kulsrud et al., Phys Rev Lett, 49:1248, 1982, [1], and Coppi et al., Phys Rev Lett 51:892, 1983, [2]). The conclusions are both encouraging and cautious. While Kulsrud’s work shows that many of the potential mechanisms for depolarization are weak, Coppi’s work points out that the presence of energetic alpha particles, products of the D–T fusion reaction, could generate collective modes able to depolarize the fuel. In the present contribution, we review the arguments and the main results of the two above-mentioned papers, while contextualizing them to present-day tokamak devices. In particular, we consider plasma regimes characteristic of ITER and IGNITOR, two tokamaks under construction and in advanced state of design, respectively, and which represent different approaches to magnetic fusion research. The depolarization rates estimated for these two devices indicate that polarization may not be maintained long enough for fusion reactions to occur, unless ion cyclotron resonances provide an effective damping mechanism for the excited modes. Only a targeted experimental campaign could provide a final answer on the feasibility of polarized fusion in tokamaks
Anomalous ion heating from ambipolar-constrained magnetic fluctuation-induced transport
No full textA kinetic theory for the anomalous heating of ions from energy stored in magnetic turbulence is
presented. Imposing self-consistency through the constitutive relations between particle
distributions and fields, a turbulent Kirchhoff’s Law is derived that expresses a direct connection
between rates of ion heating and electron thermal transport. This connection arises from the
kinematics of electron motion along turbulent fields, which results in granular structures in the
electron distribution. The drag exerted on these structures through emission into collective modes
mediates an effective ambipolar constraint on transport. Resonant damping of the collective modes
by ions produces the heating. In collisionless plasmas the rate of ion damping controls the rate of
emission, and hence the ambipolar-constrained electron heat flux. The heating rate is calculated for
both a resonant and nonresonant magnetic fluctuation spectrum and compared with observations.
The theoretical heating rate is sufficient to account for the observed twofold rise in ion temperature
during sawtooth events in experimental discharges
Nonlinear inward particle flux component in trapped electron mode turbulence
No full textTrapped electron turbulence is shown to have a significant inward particle flux component associated with nonlinear deviations of the density-potential cross correlation from the quasilinear value. The cross correlation is altered because the density advection nonlinearity mixes a linearly stable eigenmode with the eigenmode of the instability. The full nonlinear flux is evaluated by solving spectrum balance equations in a complete basis spanning the fluctuation space. An ordered
expansion for small collisionality, perpendicular wave number, and temperature/density-gradient instability threshold parameter enables an analytic solution for a weakly driven regime. The solution
quantifies the role of zonal modes on transport via their saturation of the turbulence under intensely anisotropic transfer. The inward transport is neither diffusive nor convective, but is driven by temperature gradient and enhanced by flat density gradients. It is slightly smaller than the outwardly
directed flux associated with the growing eigenmode, making the flux a small fraction of the quasilinear value
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