Dinamica de electrones runaway generados por el mecanismo de avalancha durante disrupciones en tokamaks

Abstract

La presencia de corrientes eléctricas toroidales en dispositivos tipo tokamak utilizados para el confinamiento de plasmas de fusión nuclear, provoca la generación de electrones runaway. Estas son partículas muy energéticas, de hasta 100 MeV, cuya colisionalidad con el resto de partículas del plasma disminuye a medida que ganan energía. En este trabajo, se analiza la dinámica de los electrones runaway relativistas usando una descripción de partícula individual (modelo de partícula test) que considera lo siguiente: 1) la aceleración de los electrones por el campo eléctrico toroidal, 2) las colisiones con las partículas del plasma, y 3) su desaceleración debida a perdidas por radiación causada por el movimiento de giro entorno a las líneas de campo magnético, el movimiento del centro de guía, y bremsstrahlung. Se aplica un código sencillo para simular la generación de electrones runaway por el mecanismo de avalancha en la fase de disrupción, resolviendo de forma auto consistente la corriente del plasma, la corriente runaway, y el campo eléctrico, para lo que es necesario introducir unas corrientes del plasma y runaway iniciales, cuya elección se muestra que influye en las corrientes finales. Con este modelo se estudia la dependencia de las corrientes del plasma y runaway finales, el campo eléctrico, la energía máxima alcanzable por los electrones runaway, y el momento crítico de los mismos con diferentes magnitudes físicas caracterizadoras del plasma. Además, se analiza la radiación que afecta a los electrones runaway, así como sus efectos sobre los parámetros mencionados.

The toroidal electric fields used by tokamak devices for the confinement of the nuclear fusion plasma, generate runaway electrons. These are very energetic particles, up to 100 MeV, that have the property of reducing their collisionality with the plasma particles as their energy increases. The dynamics of relativistic runaway electrons is analyzed using a single-particle description that includes the following: 1) electron acceleration due to the toroidal electric field, 2) collisions with plasma particles, and 3) deceleration due to radiation losses caused by gyromotion, guiding center motion, and bremsstrahlung. A simple MATLAB script is applied to simulate the generation of runaway electrons by the avalanche mechanism during tokamak disruptions, solving self-consistently for the evolution of the plasma current, the runaway current, and the electric field. To solve this set of equations, it is necessary to introduce the initial plasma and runaway currents, whose values are shown to affect the final currents. With this computational model, it is studied the dependence of the plasma and runaway currents, the electric field, the maximum energy that can be gained by a runaway electron, and its critical momentum, on multiple physical quantities that characterize the plasma. Furthermore, the radiation that affect the runaway electrons is studied, as well as its effects on the aforementioned parameters.