Simulación de plasmas de dispositivos de fusión por confinamiento magnético tipo tokamak y stellarator. Validación experimental y aplicación al estudio del Heliac Flexible TJ-II

Resumen

En el estudio de la fusión por confinamiento magnético es crucial conocer con detalle las condiciones físicas del plasma confinado. En este sentido los códigos de simulación son una herramienta muy útil para interpretar las propiedades del plasma. A lo largo de esta tesis se ha estudiado las propiedades del plasma de tokamaks y stellarators y se ha contribuido al desarrollo del código de transporte PRETOR, creado en el JET. Estos estudios se han realizado dentro de la colaboración existente entre el DFEN de la UPC y el Laboratorio Nacional de Fusión del CIEMAT. El código PRETOR permite simular la variación radial y la evolución temporal de las principales magnitudes físicas de un plasma de fusión. Para valorar la bondad de los modelos implementados en el código y determinar la corrección de sus resultados los resultados de la simulación de las magnitudes más relevantes de diversas descargas se comparan con los datos experimentales. De esta comparación se deduce que las magnitudes simuladas presentan un buen acuerdo con los datos experimentales aunque debe destacarse que los errores experimentales son bastante grandes y no siempre están disponibles. En el desarrollo de esta tesis también se ha aplicado el código PRETOR para el estudio de la parada de emergencia de ITER-DDR, con 1500 MW de potencia de fusión funcionando en un estado estacionario en ignición. Se ha estudiado con detalle la evolución del plasma durante una parada implementada mediante la interrupción del suministro de combustible. Este método se muestra efectivo para reducir la potencia de fusión en unas decenas de segundos evitando una disrupción del plasma en todo el escenario. Se han realizado diversas modificaciones en el código para hacerlo más versátil y adaptarlo a las necesidades específicas que han ido surgiendo. La modificación más destacada es la incorporación a PRETOR de una rutina más elaborada que la inicialmente implementada en el código para el cálculo de la deposición de potencia adicional por inyección de haces neutros. En los últimos años la investigación de stellarators ha adquirido una creciente importancia debido a las ventajas que presentan este tipo de dispositivos. Además hay que destacar que el programa de fusión por confinamiento magnético español se centra en el Heliac Flexible TJ-II de la asociación EURATOM-CIEMAT. Por estos motivos y para disponer de un código que sea capaz de simular descargas de stellarators, PRETOR ha sido modificado de forma substancial para crear la versión PRETOR-Stellarator. Esta modificación del código presenta un aspecto inédito de la tesis en el ámbito internacional. Los módulos que han sido adaptados afectan a la configuración magnética, al transporte de energía y partículas y a la geometría del plasma. Una vez modificado el código, éste se ha aplicado al análisis del plasma de Heliac Flexible TJ-II. El objetivo de este estudio es comprobar que las modificaciones introducidas en PRETOR permiten simular correctamente descargas de stellarators. Los resultados obtenidos con PRETOR se comparan con los obtenidos con el código PROCTR, un código utilizado en el CIEMAT para el estudio del TJ-II y de otros stellarators. Los resultados demuestran que los perfiles de temperatura se reproducen correctamente, estos resultados son similares a los obtenidos con PROCTR. Los valores experimentales de la potencia radiada y de la energía almacenada en el plasma han sido satisfactoriamente predichos mediante la simulación de PRETOR-Stellarator. El camino abierto por esta tesis permitirá ahondar en el estudio del plasma del heliac flexible TJ-II, el código está disponible para utilizarse en este dispositivo e incorporar nuevas modificaciones para adaptarlo a las necesidades que vayan apareciendo. ---------------------------------------------------------------------------------------------------------------