Transport of particles in nuclear fusion devices

O advento da energia de fusão nuclear tem sido altamente antecipado há mais de um século. Neste trabalho, exploramos um conceito promissor para alcançá-la através do confinamento magnético, o stellarator, que quebra a simetria do tokamak, permitindo operação em estado estacionário. Desenvolvimentos recentes no design de dispositivos de fusão por confinamento magnético permitiram a construção de configurações de stellarators excepcionalmente otimizadas.

A otimização deste design exige o cálculo iterativo do equilíbrio magnético, tendendo a ser computacionalmente dispendiosa. Esta otimização pode ser acelerada recorrendo a uma aproximação a um equilíbrio magnético, obtida através de uma expansão em torno do eixo magnético. A expansão fornecida tem demonstrado possibilitar a construção de configurações magnéticas com boas propriedades de confinamento, ao mesmo tempo que requer apenas uma fração do tempo de cálculo habitual para gerar equilíbrios magnéticos otimizados.

No entanto, pouco se sabe sobre as características gerais das órbitas de partículas rápidas calculadas em tais equilíbrios analíticos, embora simplificados, em comparação com aquelas obtidas em soluções de equilíbrio mais precisas Este trabalho tem como objetivo investigar e demonstrar o potencial da expansão em torno do eixo para fornecer informações precisas sobre as órbitas de partículas e para calcular as frações de perda em diferentes tipos de stellarator. As configurações usadas foram redimensionadas para parâmetros relevantes para a fusão e aproximam a quasisimetria em vários graus.

Isso permite-nos entender como os desvios da quasisimetria podem afetar as órbitas das partículas e o seu efeito na estimativa da fração de perda de partículas para a parede. As trajetórias do centro-guia das partículas alfa nascidas da fusão são traçadas usando os códigos \texttt{gyronimo} e \texttt{SIMPLE} sob o enquadramento do código \texttt{NEAT}, mostrando boa concordância numérica Discrepâncias entre equilíbrios precisos e os seus correspondentes na expansão perto do eixo têm efeitos menores em partículas passantes, mas efeitos significativos em partículas presas, especialmente em campos magnéticos quasi-helicamente simétricos As frações de perda de partículas concordam no regime de perdas imediatas, mas divergem posteriormente.

As perdas de partículas até 1 ms parecem ser eficazmente modeladas pela expansão junto ao eixo para configurações quasi-axisimétricas Expressões analíticas foram encontradas para estimar larguras de órbita e separatrizes de passagem-aprisionamento de partículas em campos quasisimétricos.