Configurazioni di equilibrio elicoidali in plasmi RFP

Un importante avanzamento nello studio dei plasmi confinati in configurazione RFP riguarda l'osservazione della tendenza a portarsi, via via che la corrente di plasma viene aumentato, da uno stato detto Multiple Helicity (MH) a uno denominato Quasi Single Helicity (QSH). Nello stato MH sono presenti numerose perturbazioni non-assialsimmetriche, costituite da modi MHD in regime di saturazione, che sono intrinseci alla configurazione in quanto sono responsabili del fenomeno della "dinamo", che la sostiene nel tempo contrastando la diffusione resistiva dei profili di campo magnetico. Nello stato QSH invece è un singolo modo, detto modo dominante, a prevalere, mentre gli altri, detti modi secondari, hanno ampiezze ridotte. Per di più, via via che la corrente di plasma viene aumentata, l'ampiezza dei modi secondari si riduce, e il plasma si avvicina sempre più allo stato ideale di singola elicità (SH) in cui un solo modo è responsabile della dinamo.

Questa transizione è estremamente rilevante per ciò che riguarda le prospettive fusionistiche della configurazione, in quanto nello stato MH la sovrapposizione delle isole magnetiche prodotte dai diversi modi dà luogo a caos magnetico, in analogia a ciò che avviene in un sistema hamiltoniano in presenza di molte perturbazioni risonanti, con conseguenti cattive proprietà di confinamento del plasma. Viceversa, lo stato ideale SH è esente da caos, e dovrebbe avere superfici magnetiche conservate e coefficienti di trasporto di entità pari a quelli dei tokamak.

Un particolare caso di stato QSH è dato dai cosiddetti stati Single Helical Axis (SHAx), che si verificano quando la topologia magnetica risulta modificata dall'elisione dell'O-point corrispondente all'asse magnetico della colonna di plasma con l'X-point dell'isola del modo dominante. Si ha allora una transizione ad una configurazione con un singolo asse magnetico elicoidale, che ricorda i plasmi prodotti nelle macchine di tipo stellarator.

Il mio contributo principale al lavoro pubblicato nel 2009 su Nature Physics su questo importante argomento è stato quello di sviluppare una ricostruzione dell'equilibrio negli stati SHAx, ovvero di determinare una funzione delle coordinate spaziali che fosse costante sulle superfici magnetiche, trascurando l'effetto dei modi secondari. Questo ha consentito di mostrare che densità e temperatura elettronica erano effettivamente costanti su tali superfici, dimostrando implicitamente l'esistenza parziale di tali superfici, ossia l'emergere spontaneo di ordine dal caos proprio dello stato MH.

Attualmente sto lavorando al miglioramento di tale ricostruzione e al calcolo delle medie sulle superfici magnetiche elicoidali di varie quantità. Un obiettivo più ambizioso è costituito dal calcolo di un equilibrio ohmico, ossia che tenga conto anche della legge di Ohm, che è normalmente trascurata negli equilibri dei tokamak. Determinare un equilibrio di questo tipo equivarrebbe a dimostrare da un punto di vista teorico la realizzabilità di uno stato SH puro, e consentirebbe anche di investigare l'effetto su di esso della condizione al contorno imposta sul campo magnetico per mezzo delle bobine esterne al plasma.

Bibliografia essenziale

R. Lorenzini, E. Martines, P. Piovesan, D. Terranova, P. Zanca, M. Zuin, et al., Self-organized helical equilibria as a new paradigm for ohmically heated fusion plasmas, Nature Physics 5, 570 (2009).

R. Lorenzini, D. Terranova, A. Alfier, P. Innocente, E. Martines, R. Pasqualotto, P. Zanca, Single-helical-axis states in reversed-field-pinch plasmas, Physical Review Letters 101, 025005 (2008).

D. F. Escande, P. Martin, S. Ortolani, A. Buffa, P. Franz, L. Marrelli, E. Martines, G. Spizzo, S. Cappello, A. Murari, R. Pasqualotto, P. Zanca, Quasi-single-helicity reversed-field-pinch plasmas, Physical Review Letters 85, 1662 (2000). [pdf]