Estudios de física de plasmas de fusión en el Tokamak TJ-I

Grupo TJ-I

Asociación Euratom-Ciemat

28040, Madrid

Resumen

El tokamak TJ-I (R = 30 cm, a = 10 cm) es un dispositivo de confinamiento magnético de plasmas con calentamiento óhmico que ha operado en la Unidad de Fusión del Centro de Investigaciones Energéticas Medioambientales y Tecnológicas (Ciemat) durante el período 1984-95. Por sus características técnicas, ha sido un dispositivo particularmente adecuado para el entrenamiento de nuevos científicos en el campo de física de plasmas y para el estudio de una amplia gama de áreas de investigación con interés en fusión nuclear: estudios básicos de confinamiento (transporte, campos eléctricos, efecto isotópico), física del borde del plasma, estudios de turbulencia (mecanismos generadores de turbulencia, transporte inducido por fluctuaciones), estudios de interacción plasma-pared (carbonización, boronización) y desarrollo de nuevos diagnósticos de plasmas (reflectometría de microondas, detectores de radiación, sondas, haces atómicos,...).

En el presente trabajo se resumen los resultados de física de plasmas obtenidos en el tokamak TJ-I poniendo un especial énfasis en los resultados obtenidos en su última etapa de operación (1990-1995) y sus implicaciones en los programas de investigación de grandes dispositivos.

Summary

TJ-I tokamak (R = 30 cm, a = 10 cm) is an ohmically heated tokamak which has been in operation in the Fusion Unit (Asociación Euratom-Ciemat). TJ-I tokamak has provided a broad training for the next generation of spanish plasma physicsist and has supported many research programmes aimed to determine the basic plasma processes underlying tokamak plasmas: basic confinement studies (transport, electric fields, isotope effect), edge physics, turbulence studies (driving mechanisms, turbulent transport), plasma-wall interaction (carbonization, boronization) and diagnostic development (microwave reflectometry, radiation detectors, probes, atomic beams,...).

In the present paper the results obtained in the TJ-I tokamak are summarized and its role in providing input to the large tokamak programme is discussed.

I. Introducción

El tokamak TJ-I, en operación en la Unidad de Fusión del Centro de Investigaciones Energéticas Medioambientales y Tecnológicas (Ciemat) durante el período 1984 - 1995, es un dispositivo de confinamiento magnético de plasmas con calentamiento óhmico que permite obtener plasmas de relevancia para estudios de física de plasmas de fusión nuclear. Con un radio mayor de 30 cm y 9.5 cm de radio menor, estando este último limitado por una cámara rectangular de acero inoxidable, ha operado con campos magnéticos para confinar el plasma en el rango (0.8 - 1.5) T y con corrientes del plasma de (30-40) kA.

Una amplia gama de diagnósticos ha permitido caracterizar los principales parámetros del plasma; densidad (interferometría de microondas, reflectometría), temperatura (técnicas de esparcimiento y emisión de radiation, espectroscopía de intercambio de carga, ensanchamiento Doppler de líneas de impurezas), radiación (bolometría), rayos X ( detectores de Si-Li y NaI), parámetros del borde (sondas electrostáticas y magnéticas). Los plasmas tienen una duración aproximada de 20 ms con densidades en el rango (1-3)x1013 cm-3 y temperaturas centrales de, aproximadamente, 300 eV (electrones) y 100 eV (iones) [Pardo, 1986]. Dadas las caracteristicas técnicas del tokamak TJ-I ha sido un dispositivo muy adecuado en el entrenamiento y formación de científicos en el área de la física de plasmas de fusión nuclear [una descripción detallada de las características técnicas del tokamak TJ-I se encuentra en los trabajos de tesis doctoral: Pardo, 1987; Anabitarte, 1988b, Senties, 1991, Rodríguez, 1994; de la Cal, 1994; Balbín, 1995].

La actividad científica en TJ-I ha tenido una doble vertiente. Por una parte, TJ-I ha sido un dispositivo muy adecuado para el desarrollo y mejora de técnicas de diagnosis del plasma; en este sentido son de destacar las contribuciones en el campo de reflectometría de microondas [Anabitarte et al, 1988a, Anabitarte 1988b, Senties 1991, Estrada et al., 1990; Sánchez et al., 1992, 1993, 1994], detectores de radiación [Zurro, 1986; Vega, 1990; Ochando, 1989, 91; Iborra et al., 1992], diagnósticos ópticos [Zurro et al., 1991, 1994, 1995; McCarthy et al., 1995], espectroscopía de intercambio de carga [Zurro et al., 1988] sondas de Langmuir [Balbín et al., 1992; Hidalgo et al., 1992], sondas de iones pesados y diagnósticos de haces atómicos [Tabarés, 1993]. Por otra, se ha desarrollado un programa de física que se ha centrado en tres aspectos: estudios de confinamiento (transporte, efecto isotópico, campos eléctricos), estudios de turbulencia (transporte turbulento, física atómica y fenómenos no-lineales) y estudios de interacción plasma-pared (carbonización, boronización).

A continuación se resumen brevemente los estudios de física (confinamiento, turbulencia, interacción plasma pared) realizados en el dispositivo TJ-I (sección II). El fuerte caracter internacional de los estudios realizados en TJ-I se pone de manifiesto en número de colaboraciones y acuerdos de investigación con distintos laboratorios nacionales - internacionales (sección III). Se finaliza este trabajo de revisión con unas breves conclusiones generales (sección IV) y una lista de los trabajos más relevantes realizados en el marco del proyecto de explotación científica del tokamak TJ-I (sección V).

II. Estudios de física en TJ-I

a) Estudios de confinamiento

El estudio de la influencia de la masa de los iones del plasma en las propiedades de confinamiento del plasma tiene un gran interés desde el punto de vista de física básica (la mejora en las propiedades de confinamiento del plasma con el incremento de la masa del isótopo está en completo desacuerdo con las teorías clásicas del transporte) y desde el punto de vista de las predicciones de confinamiento para grandes dispositivos (ITER). El estudio del efecto isotópico en TJ-I ha pretendido contribuir a clarificar los mecanismos físicos responsables de este fenómeno; en particular, se ha apuntado la posibilidad de transporte inducido por turbulencia magnética como uno de los mecanismos responsables del efecto isotópico [Zurro et al., 1992; Rodríguez-Rodrigo y Castejón, 1995, 1996].

Se ha caracterizado la estructura de la turbulencia magnética mediante el análisis de los espectros de energía de rayos X, generados en el proceso de desaceleración de electrones rápidos y cuyas propiedades del tranporte dependen de los parámetros del plasma [Rodríguez-Rodrigo et al., 1994; 1995]. Los niveles de turbulencia magnética y longitudes de correlación de la turbulencia se deducen de las pendientes y energías características de los espectros de rayos X [Rodríguez-Rodrigo y Castejón, 1995]. Muy recientemente se ha observado que la estructura de los espectros de rayos X es sensible al efecto isotópico (H / D) [Rodríguez-Rodrigo y Castejón, 1996]. Por otra parte, medidas de los perfiles de temperaturas de impurezas son significativamente más elevadas que la temperatura de los protones [Zurro et al., 1990]. Esta diferencia ha sido atribuida a la presencia de fluctuaciones no-térmicas de velocidad relacionadas con fluctuaciones magnéticas [Zurro et al., 1992].

Se han realizado estudios sistemáticos de la influencia de parámetros del plasma (densidad, corriente,..) en las velocidades de rotación de iones de impurezas, relacionando los resultados obtenidos con cambios en el potencial del plasma. El sentido de rotación poloidal de las impurezas es opuesto para las impurezas del interior con respecto a las impurezas del borde del plasma, fenómeno relacionado con la presencia de gradientes radiales en el campo eléctrico [Zurro et al., 1993].

La influencia de parámetros globales del plasma (campo mágnetico, densidad) en los tiempos característicos de confinamiento se ha investigado sistemáticamente en el tokamak TJ-I [Zurro et al., 1988; Tabarés et al., 1990a]. En particular, los tiempos de confinamiento de impurezas (Fe) se incrementan con la magnitud del campo magnético y disminuyen al incrementar la densidad (en acuerdo con predicciones neoclásicas) [Zurro et al., 1988]. En la región del borde del plasma se han observado asimetrías (dentro-fuera) en los flujos locales de partículas cuyo nivel depende de la densidad del plasma; el grado de asimetría disminuye al incrementar la densidad del plasma [Tabarés et al., 1990b].

Existe un buen acuerdo cualitativo entre los valores de los coeficientes de transporte deducidos de experimentos de propagación de pulsos y de los perfiles del plasma [Pardo et al., 1996]. Los elevados valores del cociente entre los coeficiente de transporte de la energía y de las partículas (~ 7) observados en TJ-I son indicadores de mecanismos de transporte dominados por partículas rápidas / turbulencia magnética.

b) Estudios de turbulencia

Entender el origen de la turbulencia en plasmas de fusión es una de las cuestiones básicas más importantes que permanece sin respuesta en la comunidad científica de fusión. En TJ-I se ha dedicado un esfuerzo particularmente importante al estudio de la influencia de fenómenos de física atómica (radiación y neutros) en la turbulencia del plasma. En el rango de temperaturas en el que los coeficientes de ionización dependen fuertemente de la temperatura (Te < 15 eV) [Hidalgo et al., 1994], sugiriendo una conexión entre fenómenos de física atómica (fuente de partículas neutras) y turbulencia en plasmas. Por el contrario, no se han observado incrementos en los niveles de fluctuaciones en las regiones del plasma donde la fuente de partículas neutras es elevada en el tokamak TJ-I. Este último resultado cuestiona la relevancia de inestabilidades generadas por procesos de ionización [Pedrosa et al., 1995]. La presencia de niveles significativos de fluctuaciones de temperatura observadas en distintos dispositivos, y en particular en el tokamak TJ-I [Hidalgo et al., 1992] ha sido considerada como un indicador de la posible presencia de inestabilidades radiativas. La interpretación de los experimentos de inyección de impurezas realizados en el tokamak TJ-I implicarían una relación no-lineal entre niveles de radiación y niveles de fluctuaciones [Ochando et al., 1993].

Por otra parte se ha caracterizado la naturaleza no-lineal de la turbulencia en plasmas de fusión y en particular en el tokamak TJ-I. Las técnicas de analisis espectral lineales suministran información de las amplitudes y fases de las distintas componentes de Fourier pero no aporta ningunan información sobre el posible acoplo entre las distintas componentes espectrales. Se han desarrollado técnicas de analisis bi-espectral basadas en el analisis de Fourier y de wavelets para determinar la presencia de acoplos de fase en las distintas componentes (modos) presentes en las señales turbulentas del plasma [Hidalgo et al., 1993a; Milligen et al., 1995a, 1995b].

La presencia de campos eléctricos radiales, generados por el plasma [García-Cortés et al., 1992] o externamente mediante el uso de electrodos polarizados [Pedrosa et al., 1992], puede modificar la estructura de la turbulencia del plasma y sus propiedades de confinamiento. En particular, la presencia de flujos poloidales con cizalladura puede decorrelacinar la turbulencia y por tanto modificar el transporte inducido por fluctuaciones [García-Cortés et al., 1992] en acuerdo por predicciones teóricas.

En la región del borde del plasma los niveles experimentalmente observados de turbulencia (de naturaleza electrostática) permiten dar cuenta del transporte de partículas [Hidalgo et al., 1989]. Sin embargo, una comparación cuantitativa entre transporte turbulento y transporte de partículas requiere tener en cuenta la presencia de asimetrías poloidales, experimentalmente observadas en TJ-I [Tabarés et al., 1990].

Un conocimiento más profundo del transporte de partículas y energía inducido por fluctuaciones requiere una medida de los niveles de fluctuaciones de temperatura y su correlación con otras variables del plasma (densidad y potencial). El grupo TJ-I ha desarrollado una intensa labor de investigación encaminada a cuantificar los niveles de fluctuaciones de temperatura electrónica y su impacto en la evaluación del transporte turbulento. Los experimentos realizados en TJ-I tokamak han demostrado claramente que los niveles de fluctuaciones de temperatura son significativos y deben ser considerados en la cuantificación del transporte turbulento [Hidalgo et al., 1992; Giannone et al., 1994].

Para profundizar en la naturaleza de los mecanismos responsables del transporte (de partículas y energía) inducidos por procesos turbulentos es importante no sólo cuantificar la magnitud del transporte inducido por fluctuaciones, el cual puede dar cuenta de la mayor parte del transporte de partículas en la región del borde del plasma, sino también estudiar las propiedades estadísticas del transporte turbulento [Hidalgo, 1995]. Estudios comparativos del transporte turbulento realizados en distintos dispositivos (tokamaks, stellarators) han puesto de manifiesto una sorprendente similitud en las propiedades estadisticas de las fluctuaciones y del transporte en dispositivos de distinta naturaleza. Estos resultados demuestran que las propiedades de la turbulencia en plasmas magnéticamente confinados muestran propiedades de caracter universal [Hidalgo 1995, Carreras et al., 1996].

c) Estudios de interacción plasma - pared

Se ha investigado la influencia del recubrimiento de la cámara del tokamak TJ-I con películas delgadas de materiales de baja Z depositadas por técnicas de plasma frío (carbonización, boronización) en las propiedades de confinamiento del plasma, así como los mecanismos responsables de la erosión por plasma de las mismas [Tabarés et al., 1995]. Este tipo de modificaciones en los componentes directamente expuestos al plasma permite cambiar notablemente la concentración y tipo de impurezas del plasma, y conlleva una disminución drástica de las pérdidas radiativas junto con la alteración de los perfiles de ciertos parámetros del plasma.

Cualitativamente se puede afirmar que el efecto de cambio de material de primera pared en el comportamiento global del plasma del TJ-I es similar al obtenido en máquinas mucho mayores, donde las propiedades de las impurezas respecto a penetración en el plasma, transporte y radiación son significativamte distintas.

Algunos aspectos de la fisico-química de la interacción del plasma con las películas de baja Z y de su deposición por técnicas de plasma frío ( PACVD) fueron estudiados complementariamente en un dispositivo con geometría análoga a la del TJ-I (de la Cal et al, 1992,1993; Tafalla et al, 1995).

III. Interacción con la comunidad científica internacional-nacional

Los trabajos realizados en el tokamak TJ-I se han desarrollado en el marco de una fuerte interacción internacional, habiendo sido en muchos casos catalizadores de trabajos de investigación realizados en laboratorios tanto Europeos como de los Estados Unidos de América.

En particular, son de destacar las colaboraciones y acuerdos de investigación internacionales mantenidas en el marco de los estudios de física en el tokamak TJ-I con el Instituto Max Planck de Física de Plasmas (Garching, Alemania) [Sánchez et al, 1990; Giannone et al., 1994], Laboratorios Nacionales de Oak Ridge (EEUU) [Hidalgo et al., 1991a, 1993b], Centro de Estudios de Fusión Nuclear (Universidad de Texas, EEUU) [Hidalgo et al., 1991b], Universidad de Pricenton (EE.UU.) [de la Luna et al., 1995], IOFAN (Rusia), ITKh (Ucrania) y más recientemente con el laboratorio de la Unión Europea (JET) [García-Cortés et al., 1996].

En el contexto internacional es destacable la actividad del Grupo Europeo de Estudios de Turbulencia en Plasmas (coordinado por el Grupo Ciemat) encaminada a catalizar la interacción entre actividad investigadora teórico-experimental de fenómenos turbulentos y a realizar estudios comparativos minuciosos de la estructura de la turbulencia en plasmas generados en dispositivos de fusión de la Unión Europea (Alemania, España, Francia, Inglaterra,...) [Edge Turbulence Working Group, 1995].

A nivel nacional, y a pesar de la limitada actividad investigadora en España en el campo de física de plasmas para fusión, el grupo TJ-I ha mantenido una clara sensibilidad para estrechar lazos con grupos universitarios y de investigación del país. En este sentido son reseñables las colaboraciones mantenidas con la Universidad Complutense (Madrid), Universidad Carlos III (Madrid), Universidad de Cantabria (Santander), CSIC (Madrid) y ETSI Telecomunicación (Universidad Politécnica, Madrid).

IV. Conclusión

Pequeños tokamak como TJ-I han apoyado científica y tecnológicamente los programas de investigación de física de plasmas para fusión aportando, por una parte, una valiosa información para clarificar los mecanismos físicos responsables de las propiedades de confinamiento de dispositivos de fusión por confinamiento magnético e impulsando el desarrollo de diagnósticos de plasmas y, por otra, contribuyendo decisivamente en la formación de científicos en el área de física de plasmas de fusión nuclear.

V. Referencias (sin incluir comunicaciones a congresos internacionales)

Anabitarte E, Bustamante E G, Calderón M A G, Senties J, Navarro A P, Sánchez J

J. Phys. D.: Appl. Phys. 21, 1384 (1988a)

Anabitarte E, " Diagnosis de plasmas de Fusión por reflectometría de microondas: aplicación a la obtención de perfiles de densidad electrónica en el plasma del Tokamak TJ-I" Tesis Doctoral, Universidad de Cantabria 1988b.

Balbín R, Hidalgo C, Pedrosa M A, García-Cortés I and Vega J, Rev Sci Instrum 63 (1992) 4605.

Balbín R. "Estudio de fluctuaciones de temperatura y densidad en el borde del plasma de dispositivos Tokamak y Stellarator", Tesis doctoral, Universidad Complutense 1995.

de la Cal, "Estudios de deposición asistida por plasma y de erosión de películas de carbono y carbono/boro usadas en dispositivos de plasmas de fusión",

Tesis Doctoral, Universidad Autónoma de Madrid, 1994.

de la Cal E, Tafalla D y Tabarés F L, J. Appl. Phys. 73 (1993) 948

de la Cal E, D. Tafalla D and F.L. Tabarés F L, J. Nucl. Mater 196-198 (1992) 1041- 1046

de la Luna E, Sánchez J, Zhuravlev et al., Rev. Sci. Instrum. 66 (1995) 403.

Carreras B, Hidalgo C, Sánchez E et al., Phys. Plasmas (1996) (en prensa).

Estrada T, Sánchez J, Brañas B y Navarro A, Rev. Sci. Instrum. 61 (1990) 3034.

Edge Turbulence Working Group, EUR-CIEMAT 25 (1995).

García-Cortés I, Pedrosa M A, Hidalgo C et al., Phys. Fluids B 4 (1992) 4007.

García-Cortés I, Hidalgo C, Martín Solís R et al., Nucl Fusion (en preparación) (1996).

Giannone L, Balbín R, Niedermeyer H et al., Phys. Plasmas 1 (1994) 3614.

Hidalgo C, Pedrosa M A, Navarro A et al., Nuclear Fusion 30 (1990) 717.

Hidalgo C, Harris J H, Uckan T et al., Nuclear Fusion 31 (1991) 1471.

Hidalgo C, Ritz C P, Rhodes T L et al., Nuclear Fusion 31 (1991b) 1661.

Hidalgo C, Balbín R, Pedrosa M.A., García- Cortés I. y Ochando M.A., Phys. Rev. Lett 69 (1992) 1205

Hidalgo C, Sánchez E, Estrada T, B. Brañas et al., Phys. Rev. Lett. 71 (1993a) 3127.

Hidalgo C, Harris J H, Uckan T et al., Nuclear Fusion 33 (1993b) 147.

Hidalgo C, Brañas B, Uckan et al., Phys. Plasmas 1 (1994) 3.

Hidalgo C, Balbín R, Brañas B et al., Physica Scripta 51 (1995) 624.

Hidalgo C, Plasma Physics Control. Fusion 37 (1995) A53.

Iborra A, Sanz-Hervás A, Rodríguez T, Ochando M A y Navarro A P, Rev. Sci. Instrum 63 (1992) 4708.

McCarthy K J, Zurro B, Burgos C., et al., Phys. Rev E 52 (1995) 6671.

Milligen B Ph van, Hidalgo C y Sánchez E, Phys. Rev. Letters 74 (1995) 395.

Milligen B Ph van, Sánchez E, Estrada T et al., Phys. Plasmas 2 (1995) 3017.

Ochando M A, Navarro A P, Vega J A, IEEE Trans. on Plasma Science 17 (1989) 316.

Ochando M A, in Course of Diagnostics for Comtemporary Fusion Experiments, edited by P. E. Stott et al. (SIF, Bologna 1991), p. 439.

Ochando M A, Pedrosa M A, Balbín R, García-Cortés I y Hidalgo C, Phys. Fluids 11 (1993) 4051.

Pardo C, Zurro B, Anales de Física B 82 (1986) 290.

Pardo C, "Analisis del Plasma TJ-I con Técnicas de Esparcimiento (Scattering) y Emisión de Radiación", Tesis doctoral, Universidad Complutense 1987.

Pardo C, Rodríguez-Yunta A, Vega J et al., Nuclear Fusion (1996) (en prensa).

Pedrosa M A, García-Cortés I, Hidalgo C et al., Proc. IAEA Tecnical Committee Meeting (Montreal, 1992).

Pedrosa M A, García-Cortés I, Brañas B et al., Phys. Plasmas 2 (1995) 1995.

Rodríguez-Rodrigo L, Rodriguez-Yunta A, Castejón F et al., Nuclear Fusion 34 (1994) 649.

Rodriguez-Rodrigo L, Tesis doctoral, Universidad Complutense 1995.

Rodríguez-Rodrigo L y Castejón F, Phys. Rev Letters 74 (1995) 3987.

Rodríguez-Rodrigo L y Castejón F, Plasma Physics (1996) (en prensa).

Sánchez J, Hartfuss H J, Anabitarte E et al., Nuclear Fusion 30 (1990) 2383.

Sánchez J, Brañas B, Estrada T et al., Rev. Sci. Instrum. 63 (1992) 4654.

Sánchez J, Brañas B, de la Luna E y Estrada T, Rev. Sci. Instrum 64 (1993) 487.

Sánchez J, Brañas B, de la Luna E et al., Plasma Physics Reports 20 (1994) 1.

Senties JM," Medida de las fluctuaciones de densidad en plasmas magnetoactivos por reflectometria de microondas y su aplicación al Tokamak TJ-I". Tesis Doctoral, Universidad de Cantabria 1991.

Tabarés F L, García-Castañer B, Liniers M et al., Vacuum 41 (1990a) 1519.

Tabares F L, Pedrosa M A, Tafalla D et al., J. Nuclear Materials 176-177 (1990b) 899.

Tabarés F L, in Boundary Diagnostics, Proc.of the V Workshop on Magnetic Confinement Fusion, UIMP (Santander) 1993.

Tabarés F L, De la Cal E, Tafalla D et al, J. of Nucl. Mater 220 (1995) 688.

Tafalla D, Cal de la E , Tabarés F L and C. Maffiotte C, J. Nucl. Mater. 220-222 (1995) 899.

Vega J, Rev. of Sci. Instrum. 61 (1990) 3268.

Zurro B, Pardo C y Alvarez-Rivas J L, J. Physics D: Applied Phys 19, 1895 (1986)

Zurro B, García-Castañer B, Hidalgo C et al., Rev. Sci. Instrum. 59, 1509-1511 (1988).

Zurro B, Pardo C y Mompeán F, Plasma Phys. Control Fusion 30, 1767-1779 (1988)

Zurro B, Hidalgo C, García-Castañer B y Pardo C, Plasma Phys. Control. Fusion 32, 565 (1990)

Zurro B, Rev. Sci. Instrum. 62 (1991) 118.

Zurro B, Vega J, Castejón F y Burgos C, Phys. Rev. Letters 69 (1992) 2919

Zurro B, Burgos C, Pacios L et al., Plama Phys. Control. Fusion 35 (1993) 349.

Zurro B y García-Catañer, Rev. Sci. Instrum. 65 (1994) 2580.

Zurro B, Ibarra A, Acuña A U et al., Rev. Sci. Instrum. 66, 534 - 536 (1995).