Modelling of Alfvén modes and their stability in the presence of ICRH-accelerated energetic ion populations in tokomak devices

Resumo:

Os plasmas de fusão encontrados em reactores tokamak são em grande extensão descritos com sucesso pelo modelo da Magneto-hidrodinâmica (MHD). Este modelo prevê a existência de modos de Alfvén discretos que são facilmente excitáveis através da interacção ressonante com populações de iões energéticos. Esta interação pode levar ao crescimento exponencial dos modos e não só comprometer a operação auto-sustentada dos reactores como também resultar em danos a alguns dos seus componentes.

É, portanto, de extrema importância que se desenvolvam métodos para controlar estes modos durante a operação de reactores de fusão. Nesta tese, dois tipos de modos de Alfvén são estudados através de modelação numérica: as cascatas de Alfvén e os TAEs (do inglês Toroidicity-induced Alfvén Eigenmodes). Os estudos foram conduzidos com dois objectivos principais: perceber a relação destes modos com parâmetros do equilíbrio tais como o perfil do factor de segurança, de forma a identificar detalhes do equilíbrio que podem ser inferidos através da observação dos modos em descargas (processo conhecido como espectroscopia MHD); contribuir para o desenvolvimento de métodos para controlar o aparecimento e crescimento destes modos.

Os estudos apresentados nesta tese contribuíram para a identificação numérica de diversos tipos de cascatas observadas em descargas do Joint European Torus (JET). Em particular, foram identificadas cascatas de alta frequência com padrões de frequência decrescente e, pela primeira vez no JET, cascatas próximas do eixo magnético associadas a perfis monotónicos quase planos.

Adicionalmente, a transição de modos cascata para TAEs foi investigada, de onde resultou a proposta de um método de espectroscopia MHD para estimar a evolução do factor de segurança. É ainda apresentada nesta tese a análise de uma experiência dedicada à supressão de TAEs utilizando a tecnologia de geração de corrente através da ressonância ciclotrónica dos electrões (Electron Ciclotron Current Drive – ECCD). Estimativas dos efeitos de excitação e atenuação experienciados pelos modos indicam que a supressão dos modos está maioritariamente relacionada com o decréscimo da excitação por parte de uma população de partículas rápidas.