Modeling of heat and particle transport in nuclear fusion plasmas in a tokamak: study of density regimes and ionization front control

Questo progetto è incentrato sulla modellizzazione del plasma di bordo dei reattori a fusione nucleare attualmente più conosciuti e diffusi al mondo, i tokamak. Nel divertore, la regione dedicata all'interazione plasma-parete, le condizioni devono garantire le transizioni da un regime caratterizzato da un plasma ionizzante e quindi con una popolazione di atomi neutri molto piccola, ad uno stato con un forte accoppiamento tra i neutri e il plasma, separati da un fronte di ionizzazione, per ottenere infine uno stato di plasma ricombinante dominato dagli atomi neutri. In questo quadro quindi, si è studiato approfonditamente il modello a due punti, un modello teorico ampiamente utilizzato nell'ambito della fisica dei plasmi di bordo. Questo modello trova un'applicazione pratica nello sviluppo di un codice a basso sforzo computazionale per la descrizione del plasma di bordo chiamato SOLDIV, che è stato sviluppato all'IRFM, istituto di ricerca sede del periodo di tirocinio. Parte del lavoro di tesi è consistito nel miglioramento del modulo per la descrizione del divertore, attraverso l'implementazione di elementi fisici aggiuntivi come il grado di detachment, con il vincolo del mantenimento di un basso tempo di calcolo. La particolare geometria del tokamak induce l'insorgere di forti flussi di calore nella zona di bordo, anche detta scrape-off layer. Questo fenomeno può avere conseguenze macroscopiche e incidere sull'efficienza della macchina se non venisse controllato, ed è stato infine oggetto di studio nel presente elaborato. L'obiettivo dell'analisi è stato quello di determinare la posizione del fronte di ionizazzione e di trovare un modello semplice 1D per poterne prevedere la locazione e il comportamento degli aspetti fisici che dominano la regione del divertore quali il fenomeno della biforcazione.