Integration algorithms for charged-particle dynamics in magnetised plasmas

Resumo:

Neste projeto de tese, a validade do modelo centro-guia (CG) foi testada a partir da comparação entre as trajetórias de órbita completa (OC) e de CG de alfas de fusão em configurações magnéticas complexas típicas de dispositivos de fusão.

Para realizar as integrações OC, a funcionalidade da biblioteca \textsc{gyronimo} foi estendida com o sistema dinâmico da força de Lorentz em coordenadas curvilíneas e outros algoritmos. Três integradores FO foram comparados: Boris Clássico, Boris Curvilíneo e Runge-Kutta de 4ª ordem. Com base nas propriedades de conservação das constantes de movimento dos algoritmos e no formato da trajetória em campos eletromagnéticos simples em coordenadas toroidais, o método numérico mais preciso para integrações longas foi escolhido para as subsequentes integrações OC.

Em seguida, diversos casos de órbitas de alfas obtidas por integrações OC e CG no equilíbrio magnético estático de um tokamak axissimétrico e de um stellarator não-axissimétrico foram comparados. Demonstra-se que, apesar de os resultados OC e CG concordarem para o equilíbrio tokamak, há casos em que as abordagens discordam nos campos magnéticos 3D mais complexos de um dispositivo stellarator.

Para determinar a relevância das discrepâncias nas órbitas OC e CG no equilíbrio stellarator escolhido, foi implementada e executada uma simulação do confinamento de partículas alfas de fusão, onde se verificou que a abordagem OC previa mais do dobro de alfas perdidos que a abordagem CG. Além disso, verificou-se que as alfas são perdidas na mesma região para ambos tipos de integração, mas distribuídas de forma diferente no interior da mesma.