Dinámica de electrones runaway en disrupciones Tokamak

Abstract

Este trabajo se centra en el estudio de la dinámica de electrones runaway generados durante disrupciones en dispositivos de fusión tipo Tokamak, particularmente en el contexto del futuro Tokamak ITER. Estos electrones, acelerados a energías relativistas, pueden causar daños significativos en las paredes internas del dispositivo si no se controlan adecuadamente. El objetivo principal es analizar condiciones óptimas que minimicen la energía depositada por estos electrones, dado su efecto potencialmente pernicioso sobre los componentes internos del reactor, especialmente en la primera pared del Tokamak. Para ello, se emplea un modelo simplificado de tres lazos, basado en propuestas previas, que describe el movimiento vertical del plasma y las corrientes asociadas. El modelo incorpora diversos mecanismos de generación de runaways, como la generación primaria (Dreicer), secundaria (avalancha), por decaimiento de tritio y por Compton scattering. La resolución numérica del sistema de ecuaciones diferenciales ordinarias se realiza mediante el método de Runge-Kutta de cuarto orden, lo que permite obtener resultados con un equilibrio adecuado entre precisión y coste computacional. Otro objetivo fundamental es evaluar la influencia del tiempo característico de deconfinamiento, τd, sobre variables como la corriente runaway al impactar la pared (Ir), la energía transferida a estos electrones (ΔWr), y el área mínima necesaria para evitar que los materiales estructurales superen su temperatura de fusión (Amin). Los resultados muestran que valores bajos de τd permiten reducir significativamente la corriente runaway y, por tanto, mitigar los daños en las paredes internas del reactor. Asimismo, se ha desarrollado un código que permite calcular el área mínima de contacto requerida para evitar el sobrecalentamiento de los materiales empleados en las paredes internas, considerando berilio y wolframio. Estos resultados presentan una clara aplicabilidad en el diseño de componentes de futuros dispositivos.

This work focuses on the study of the dynamics of runaway electrons generated during disruptions in Tokamak-type fusion devices, particularly in the context of the future ITER Tokamak. These electrons, accelerated to relativistic energies, can cause significant damage to the inner walls of the device if not properly controlled. The main objective is to analyze optimal conditions that minimize the energy deposited by these electrons, given their potentially harmful effects on the internal components of the reactor, especially on the Tokamak’s first wall. To this end, a simplified three-loop model is used, based on previous proposals, which describes the vertical motion of the plasma and the associated currents. The model incorporates various runaway generation mechanisms, such as primary (Dreicer), secondary (avalanche), tritium decay, and Compton scattering. The numerical solution of the system of ordinary differential equations is carried out using the fourth-order Runge-Kutta method, which provides a good balance between accuracy and computational cost. Another key objective is to evaluate the influence of the characteristic deconfinement time, τd, on variables such as the runaway current at wall impact (Ir), the energy transferred to these electrons (ΔWr), and the minimum area required to prevent structural materials from exceeding their melting temperature (Amin). The results show that low values of τd can significantly reduce the runaway current and, therefore, help mitigate damage to the reactor’s inner walls. Additionally, a code has been developed to calculate the minimum contact area needed to prevent overheating of the materials used in the inner walls, considering beryllium and tungsten. These results have clear applicability in the design of components for future devices.