Integrable maps with non-trivial topology: application to divertor configurations

We explore a method for constructing two-dimensional area-preserving, integrable maps associated with Hamiltonian systems, with a given set of fixed points and given invariant curves. The method is used to find an integrable Poincare map for the field lines in a large aspect ratio tokamak with a poloidal single-null divertor. The divertor field is a superposition of a magnetohydrodynamic equilibrium with an arbitrarily chosen safety factor profile, with a wire carrying an electric current to create an X-point. This integrable map is perturbed by an impulsive perturbation that describes non-axisymmetric magnetic resonances at the plasma edge. The non-integrable perturbed map is applied to study the structure of the open field lines in the scrape-off layer, reproducing the main transport features obtained by integrating numerically the magnetic field line equations, such as the connection lengths and magnetic footprints on the divertor plate.

Divertor map with freedom of geometry and safety factor profile

An explicit, area-preserving and integrable magnetic field line map for a single-null divertor tokamak is obtained using a trajectory integration method to represent equilibrium magnetic surfaces. The magnetic surfaces obtained from the map are capable of fitting different geometries with freely specified position of the X-point, by varying free model parameters. The safety factor profile of the map is independent of the geometric parameters and can also be chosen arbitrarily. The divertor integrable map is composed of a nonintegrable map that simulates the effect of external symmetry-breaking resonances, so as to generate a chaotic region near the separatrix passing through the X-point. The composed field line map is used to analyze escape patterns (the connection length distribution and magnetic footprints on the divertor plate) for two equilibrium configurations with different magnetic shear profiles at the plasma edge.

Physical characterization and numerical modeling of a WEST-like tokamak divertor plasma

Il presente elaborato è incentrato sulla modellizzazione del plasma di bordo nei dispositivi per la produzione di energia da fusione nucleare noti come tokamak. La tecnologia che nel corso di tutta la seconda metà del XX secolo fino ad oggi è stata sviluppata a questo fine deve necessariamente scontrarsi con alcuni limiti. Nei tokamak il confinamento del plasma è di tipo magnetico e vincola le particelle a muoversi di moto elicoidale all'interno del vessel, tuttavia il confinamento non risulta perfetto e parte dell'energia si scarica sulle pareti della camera, rischiando pertanto di fondere i materiali. Alcune strategie possono essere messe in atto per limitare questo problema, per esempio agendo sulla geometria del tokamak, oppure sulla fisica, inducendo nel plasma una data concentrazione di impurezze che ionizzino irraggiando parte dell'energia di plasma. Proprio tale meccanismo di perdita è stato simulato in un modello monodimensionale di plasma monofluido di bordo. I risultati del codice numerico relativo al modello dimostrano che per concentrazioni di impurezze crescenti è possibile diminuire in modo significativo flusso di calore e temperatura al divertore. Per di più risulta possibile controllare la posizione del fronte di irraggiamento per mezzo di parametri di controllo del plasma quali la pressione. Si osserva inoltre l'insorgere del cosiddetto fenomeno di biforcazione alle basse temperature di divertore, fenomeno in cui il plasma si comporta in modo instabile a causa di fenomeni fisici tipici delle basse energie ("detachment") e a seguito del quale può improvvisamente spegnersi (disruzione). Infine lo stesso modello è stato migliorato inserendo l'ipotesi di plasma bifluido. Anche per gli ioni viene osservato il fenomeno di biforcazione. I risultati numerici evidenziano le dinamiche dello scambio energetico fra le specie gettando le basi di una progettazione efficiente della chimica del plasma finalizzata al raffreddamento del divertore.

Escape patterns of chaotic magnetic field lines in a tokamak with reversed magnetic shear and an ergodic limiter

The existence of a reversed magnetic shear in tokamaks improves the plasma confinement through the formation of internal transport barriers that reduce radial particle and heat transport. However, the transport poloidal profile is much influenced by the presence of chaotic magnetic field lines at the plasma edge caused by external perturbations. Contrary to many expectations, it has been observed that such a chaotic region does not uniformize heat and particle deposition on the inner tokamak wall. The deposition is characterized instead by structured patterns called magnetic footprints, here investigated for a nonmonotonic analytical plasma equilibrium perturbed by an ergodic limiter. The magnetic footprints appear due to the underlying mathematical skeleton of chaotic magnetic field lines determined by the manifold tangles. For the investigated edge safety factor ranges, these effects on the wall are associated with the field line stickiness and escape channels due to internal island chains near the flux surfaces. Comparisons between magnetic footprints and escape basins from different equilibrium and ergodic limiter characteristic parameters show that highly concentrated magnetic footprints can be avoided by properly choosing these parameters. (c) 2008 American Institute of Physics.

Electrostatic turbulence driven by high magnetohydrodynamic activity in Tokamak Chauffage Alfven Bresilien

In Tokamak Chauffage Alfven Bresilien [R. M. O. Galvao , Plasma Phys. Controlled Fusion 43, 1181 (2001)], high magnetohydrodynamic (MHD) activity may appear spontaneously or during discharges with a voltage biased electrode inserted at the plasma edge. The turbulent electrostatic fluctuations, measured by Langmuir probes, are modulated by Mirnov oscillations presenting a dominant peak with a common frequency around 10 kHz. We report the occurrence of phase locking of the turbulent potential fluctuations driven by MHD activity at this frequency. Using wavelet cross-spectral analysis, we characterized the phase and frequency synchronization in the plasma edge region. We introduced an order parameter to characterize the radial dependence of the phase-locking intensity. (c) 2008 American Institute of Physics.

High-resolution transmission electron microscopy and electron backscatter diffraction in nanoscaled ferritic and ferritic-martensitic oxide dispersion strengthened-steels

For specific blanket and divertor applications in future fusion power reactors a replacement of presently considered reduced activation ferritic martensitic (RAFM) steels as a structural material by suitable oxide dispersion strengthened ferritic martensitic steels would allow a substantial increase of the operating temperature from similar to 823 to about 923 K. Due to this reason the RAFM-alloy ODS-Eurofer has already been developed and produced with industrial partners. In the He-cooled modular divertor concept, where temperatures above 923 K will arise, an ODS-steel with a purely ferritic matrix is advantageous, because of missing phase transitions. Due to this reason, a special ferritic ODS-steel is being manufactured as well. In this work the microstructures of these two ODS-alloy types, analysed mainly by high resolution TEM are compared, with respect to different manufacturing processes. In addition first results of high resolution EBSD scans together with determined orientation maps of the RAFM steel ODS-Eurofer will also be presented. (C) 2008 Elsevier B.V. All rights reserved.

Thermische Desorption zur quantitativen Untersuchung von Wasserstoffisotopen in Proben aus Fusionsexperimenten

TPD, TDS, termal desorption, hydrogen isotopes, graphite, calibration, QMS

Fractal structures in nonlinear plasma physics

Fractal structures appear in many situations related to the dynamics of conservative as well as dissipative dynamical systems, being a manifestation of chaotic behaviour. In open area-preserving discrete dynamical systems we can find fractal structures in the form of fractal boundaries, associated to escape basins, and even possessing the more general property of Wada. Such systems appear in certain applications in plasma physics, like the magnetic field line behaviour in tokamaks with ergodic limiters. The main purpose of this paper is to show how such fractal structures have observable consequences in terms of the transport properties in the plasma edge of tokamaks, some of which have been experimentally verified. We emphasize the role of the fractal structures in the understanding of mesoscale phenomena in plasmas, such as electromagnetic turbulence.

Transport control in fusion plasmas by changing electric and magnetic field spatial profiles

For magnetically confined plasmas in tokamaks, we have numerically investigated how Lagrangian chaos at the plasma edge affects the plasma confinement. Initially, we have considered the chaotic motion of particles in an equilibrium electric field with a monotonic radial profile perturbed by drift waves. We have showed that an effective transport barrier may be created at the plasma edge by modifying the electric field radial profile. In the second place, we have obtained escape patterns and magnetic footprints of chaotic magnetic field lines in the region near a tokamak wall with resonant modes due to the action of an ergodic magnetic limiter. For monotonic plasma current density profiles we have obtained distributions of field line connections to the wall and line escape channels with the same spatial pattern as the magnetic footprints on the tokamak walls. (c) 2008 Elsevier B.V. All rights reserved.

Tokamak magnetic field lines described by simple maps

The magnetic field line structure in a tokamak can be obtained by direct numerical integration of the field line equations. However, this is a lengthy procedure and the analysis of the solution may be very time-consuming. Otherwise we can use simple two-dimensional, area-preserving maps, obtained either by approximations of the magnetic field line equations, or from dynamical considerations. These maps can be quickly iterated, furnishing solutions that mirror the ones obtained from direct numerical integration, and which are useful when long-term studies of field line behavior are necessary (e.g. in diffusion calculations). In this work we focus on a set of simple tokamak maps for which these advantages are specially pronounced.

Chaotic transport in reversed shear tokamaks

For tokamak models using simplified geometries and reversed shear plasma profiles, we have numerically investigated how the onset of Lagrangian chaos at the plasma edge may affect the plasma confinement in two distinct but closely related problems. Firstly, we have considered the motion of particles in drift waves in the presence of an equilibrium radial electric field with shear. We have shown that the radial particle transport caused by this motion is selective in phase space, being determined by the resonant drift waves and depending on the parameters of both the resonant waves and the electric field profile. Moreover, we have shown that an additional transport barrier may be created at the plasma edge by increasing the electric field. In the second place, we have studied escape patterns and magnetic footprints of chaotic magnetic field lines in the region near a tokamak wall, when there are resonant modes due to the action of an ergodic magnetic limiter. A non-monotonic safety factor profile has been used in the analysis of field line topology in a region of negative magnetic shear. We have observed that, if internal modes are perturbed, the distributions of field line connection lengths and magnetic footprints exhibit spatially localized escape channels. For typical physical parameters of a fusion plasma, the two Lagrangian chaotic processes considered in this work can be effective in usual conditions so as to influence plasma confinement. The reversed shear effects discussed in this work may also contribute to evaluate the transport barrier relevance in advanced confinement scenarios in future tokamak experiments.

Mean Motion in Stochastic Plasmas With a Space-Dependent Diffusion Coefficient

Radial transport in the tokamap, which has been proposed as a simple model for the motion in a stochastic plasma, is investigated. A theory for previous numerical findings is presented. The new results are stimulated by the fact that the radial diffusion coefficients is space-dependent. The space-dependence of the transport coefficient has several interesting effects which have not been elucidated so far. Among the new findings are the analytical predictions for the scaling of the mean radial displacement with time and the relation between the Fokker-Planck diffusion coefficient and the diffusion coefficient from the mean square displacement. The applicability to other systems is also discussed. (c) 2009 WILEY-VCH GmbH & Co. KGaA, Weinheim

Nontwist symplectic maps in tokamaks

We review symplectic nontwist maps that we have introduced to describe Lagrangian transport properties in magnetically confined plasmas in tokamaks. These nontwist maps are suitable to describe the formation and destruction of transport barriers in the shearless region (i.e., near the curve where the twist condition does not hold). The maps can be used to investigate two kinds of problems in plasmas with non-monotonic field profiles: the first is the chaotic magnetic field line transport in plasmas with external resonant perturbations. The second problem is the chaotic particle drift motion caused by electrostatic drift waves. The presented analytical maps, derived from plasma models with equilibrium field profiles and control parameters that are commonly measured in plasma discharges, can be used to investigate long-term transport properties. (C) 2011 Elsevier B.V. All rights reserved.

Simulación atomística de metales líquidos y aleaciones para reactores de fusión nuclear = Atomistic simulation of liquid metals and alloys for nuclear fusion reactors

La presente tesis comprende un estudio de metales líquidos, Li, Pb y eutéctico Li17Pb en el ámbito de la tecnología de fusión nuclear. Uno de los problemas fundamentales en futuros reactores de fusión es la producción y extracción de tritio en la denominada envoltura regeneradora (blanket en inglés). Dicho blanket tendrá dos propósitos, la extracción del calor generado por las reacciones de fusión para su posterior conversión en energía eléctrica así como la producción de tritio para realimentar el proceso. Dicha producción se realizará mediante el “splitting” del Li con los neutrones provenientes de la fusión. Esta reacción produce tritio y helio por lo que la interacción del T y el He con el metal líquido, con los materiales estructurales así como con el He es un problema fundamental aun no bien entendido y de gran importancia para futuros diseños. Los capítulos 1 2 y 3 presentan una introducción a dichos problemas. El capítulo 1 introduce al lector en la tecnología de fusión nuclear. El segundo capítulo explica en mayor detalle el uso de metales líquidos en reactores de fusión, no solo en blankets sino también como primera pared, divertor etc, lo que se denomina en general “plasma facing materials”. Por último se ofrece una breve introducción a las técnicas de dinámica molecular clásica (CMD) y un breve resumen de los potenciales más usados. El estudio se ha llevado a cabo utilizando simulación atomística mediante potenciales semi-empíricos del tipo átomo embebido (EAM). La Tesis consta de 4 partes bien definidas. En primer lugar se verificó la idoneidad de los potenciales tipo EAM para simular las propiedades de los metales Li y Pb en fase líquida. Dicho estudio se detalla en el Capítulo 4 y en su extensión, el Apéndice 1, en el que se estudia los límites de validez de esta aproximación. Los resultados de dicho estudio han sido publicados y presentados en diversos congresos internacionales. Un resumen de la metodología seguida fue publicado como capítulo de libro en Technofusión 2011. Los resultados se presentaron en diversos congresos internacionales, entre ellos ICENES 2011, (Artículo en ICENES Proceedings) ICOPS-SOFE 2011, en una presentación oral etc. El trabajo ha sido aceptado recientemente en Journal of Nuclear Materiales (Fraile et al 2012). La segunda parte y más importante comprende el desarrollo de un potencial para el estudio de la mezcla de ambos metales. Éste es el trabajo más novedoso e importante dado que no existía en la literatura un potencial semejante. Se estudiaron dos aproximaciones distintas al problema, un potencial tipo EAM/cd y un potencial EAM/alloy. Ambos potenciales dan resultados satisfactorios para la simulación del eutéctico (y concentraciones de Li menores que el 17%). Sin embargo el sistema LiPb en todas las concentraciones es un sistema que se aparta enormemente de una solución ideal y dicho potencial no daba buenos resultados para mezclas PbLi con concentraciones de Li grandes. Este problema fue solventado mediante el desarrollo de un segundo potencial, esta vez tipo EAM/alloy (segunda parte del Capítulo 5). Dicho trabajo será enviado a Physical Review Letters o a Phys. Rev. B, y una extensión junto con un estudio detallado de las propiedades del eutéctico de acuerdo con nuestras simulaciones se enviará a continuación a Phys. Rev. B. En tercer lugar se estudió el problema de la difusividad del H en metales líquidos aprovechando distintos potenciales existentes en la literatura. El problema del H en metales líquidos es importante en metalurgia. En dicho capítulo se estudió la difusividad del H en Pd, Ni y Al con potenciales tipo EAM, y también con un potencial más sofisticado que tiene en cuenta la dependencia angular de las interacciones (ADP por sus siglas en inglés). De este modo disponemos de un estudio detallado del problema con diferentes modelos y diferentes metales. La conclusión apunta a que si se compara con los resultados experimentales (muy escasos) los resultados obtenidos mediante CMD dan valores bajos de la difusividad del H. Las razones de dicho desacuerdo entre simulación y experimentos se detallan en el Capítulo 6. Este trabajo ha sido presentado en una presentación oral en el reciente congreso internacional “Trends on Nanothecnology” TNT 2012 celebrado en Madrid. El trabajo será publicado en un futuro próximo. Por último, como se dijo anteriormente, el estudio del He, la formación de burbujas en metales líquidos, su difusión nucleación y cavitación es otro problema deseable de ser estudiado mediante técnicas atomísticas. Para ello es necesario el desarrollo de diversos potenciales, He-Li, He-Pb y un potencial ternario Pb-Li-He. Para ello se han realizado simulación ab initio de los sistemas Pb+He y Li+He. Dicho estudio pretende calcular las fuerzas entre los átomos del metal (Pb o Li) con intersticiales de He. De este modo aplicaremos el “force matching method” (FMM) para el desarrollo de dichos potenciales. En el Capítulo 7 se detallan los resultados obtenidos referidos a las posiciones más favorables de las impurezas de He dentro de redes cristalinas de Pb y Li así como el efecto de tener en cuenta el acoplo spin-orbita (SOC en inglés). El análisis de los resultados en términos de transferencia de carga y análisis de las densidades electrónicas, así como la creación de los potenciales mencionados está en progreso. En conjunto la tesis presenta un estudio de los diversos problemas relacionados con el uso de metales líquidos en reactores de fusión y representa un primer paso en la determinación de parámetros de gran importancia para el diseño de blankets y sistemas de primera pared. Con la simulación MD de dichos problemas mediante, importante, potenciales realistas, valores de difusión, solubilidad etc de especies ligeras, H (o sus isotopos) y He en metales líquidos podrá ser calculada complementando así la base de datos que presenta enormes incertidumbres.

Comportamiento mecánico de nuevas aleaciones de wolframio en función de la temperatura

La presente memoria de tesis tiene como objetivo principal la caracterización mecánica en función de la temperatura de nueve aleaciones de wolframio con contenidos diferentes en titanio, vanadio, itria y lantana. Las aleaciones estudiadas son las siguientes: W-0.5%Y2O3, W-2%Ti, W-2% Ti-0.5% Y2O3, W-4% Ti-0.5% Y2O3, W-2%V, W- 2%Vmix, W-4%V, W-1%La2O3 and W-4%V-1%La2O3. Todos ellos, además del wolframio puro se fabrican mediante compresión isostática en caliente (HIP) y son suministradas por la Universidad Carlos III de Madrid. La investigación se desarrolla a través de un estudio sistemático basado en ensayos físicos y mecánicos, así como el análisis post mortem de las muestras ensayadas. Para realizar dicha caracterización mecánica se aplican diferentes ensayos mecánicos, la mayoría de ellos realizados en el intervalo de temperatura de 25 a 1000 º C. Los ensayos de caracterización que se llevan a cabo son: • Densidad • Dureza Vicker • Módulo de elasticidad y su evolución con la temperatura • Límite elástico o resistencia a la flexión máxima, y su evolución con la temperatura • Resistencia a la fractura y su comportamiento con la temperatura. • Análisis microestructural • Análisis fractográfico • Análisis de la relación microestructura-comportamiento macroscópico. El estudio comienza con una introducción acerca de los sistemas en los que estos materiales son candidatos para su aplicación, para comprender las condiciones a las que los materiales serán expuestos. En este caso, el componente que determina las condiciones es el Divertor del reactor de energía de fusión por confinamiento magnético. Parece obvio que su uso en los componentes del reactor de fusión, más exactamente como materiales de cara al plasma (Plasma Facing Components o PFC), hace que estas aleaciones trabajen bajo condiciones de irradiación de neutrones. Además, el hecho de que sean materiales nuevos hace necesario un estudio previo de las características básicas que garantice los requisitos mínimos antes de realizar un estudio más complejo. Esto constituye la principal motivación de la presente investigación. La actual crisis energética ha llevado a aunar esfuerzos en el desarrollo de nuevos materiales, técnicas y dispositivos para la aplicación en la industria de la energía nuclear. El desarrollo de las técnicas de producción de aleaciones de wolframio, con un punto de fusión muy alto, requiere el uso de precursores de sinterizado para lograr densificaciones más altas y por lo tanto mejores propiedades mecánicas. Este es el propósito de la adición de titanio y vanadio en estas aleaciones. Sin embargo, uno de los principales problemas de la utilización de wolframio como material estructural es su alta temperatura de transición dúctil-frágil. Esta temperatura es característica de materiales metálicos con estructura cúbica centrada en el cuerpo y depende de varios factores metalúrgicos. El proceso de recristalización aumenta esta temperatura de transición. Los PFC tienen temperaturas muy altas de servicio, lo que facilita la recristalización del metal. Con el fin de retrasar este proceso, se dispersan partículas insolubles en el material permitiendo temperaturas de servicio más altas. Hasta ahora se ha utilizado óxidos de torio, lantano e itrio como partículas dispersas. Para entender cómo los contenidos en algunos elementos y partículas de óxido afectan a las propiedades de wolframio se estudian las aleaciones binarias de wolframio en comparación con el wolframio puro. A su vez estas aleaciones binarias se utilizan como material de referencia para entender el comportamiento de las aleaciones ternarias. Dada la estrecha relación entre las propiedades del material, la estructura y proceso de fabricación, el estudio se completa con un análisis fractográfico y micrográfico. El análisis fractográfico puede mostrar los mecanismos que están implicados en el proceso de fractura del material. Por otro lado, el estudio micrográfico ayudará a entender este comportamiento a través de la identificación de las posibles fases presentes. La medida del tamaño de grano es una parte de la caracterización microestructural. En esta investigación, la medida del tamaño de grano se llevó a cabo por ataque químico selectivo para revelar el límite de grano en las muestras preparadas. Posteriormente las micrografías fueron sometidas a tratamiento y análisis de imágenes. El documento termina con una discusión de los resultados y la compilación de las conclusiones más importantes que se alcanzan después del estudio. Actualmente, el desarrollo de nuevos materiales para aplicación en los componentes de cara al plasma continúa. El estudio de estos materiales ayudará a completar una base de datos de características que permita hacer una selección de ellos más fiable. The main goal of this dissertation is the mechanical characterization as a function of temperature of nine tungsten alloys containing different amounts of titanium, vanadium and yttrium and lanthanum oxide. The alloys under study were the following ones: W-0.5%Y2O3, W-2%Ti, W-2% Ti-0.5% Y2O3, W-4% Ti-0.5% Y2O3, W-2%V, W- 2%Vmix, W-4%V, W-1%La2O3 and W-4%V-1%La2O3. All of them, besides pure tungsten, were manufactured using a Hot Isostatic Pressing (HIP) process and they were supplied by the Universidad Carlos III de Madrid. The research was carried out through a systematic study based on physical and mechanical tests as well as the post mortem analysis of tested samples. Diverse mechanical tests were applied to perform this characterization; most of them were conducted at temperatures in the range 25-1000 ºC. The following characterization tests were performed: • Density • Vickers hardness • Elastic modulus • Yield strength or ultimate bending strength, and their evolution with temperature • Fracture toughness and its temperature behavior • Microstructural analysis • Fractographical analysis • Microstructure-macroscopic relationship analysis This study begins with an introduction regarding the systems where these materials could be applied, in order to establish and understand their service conditions. In this case, the component that defines the conditions is the Divertor of magnetic-confinement fusion reactors. It seems obvious that their use as fusion reactor components, more exactly as plasma facing components (PFCs), makes these alloys work under conditions of neutron irradiation. In addition to this, the fact that they are novel materials demands a preliminary study of the basic characteristics which will guarantee their minimum requirements prior to a more complex study. This constitutes the motivation of the present research. The current energy crisis has driven to join forces so as to develop new materials, techniques and devices for their application in the nuclear energy industry. The development of production techniques for tungsten-based alloys, with a very high melting point, requires the use of precursors for sintering to achieve higher densifications and, accordingly, better mechanical properties. This is the purpose of the addition of titanium and vanadium to these alloys. Nevertheless, one of the main problems of using tungsten as structural material is its high ductile-brittle transition temperature. This temperature is characteristic of metallic materials with body centered cubic structure and depends on several metallurgical factors. The recrystallization process increases their transition temperature. Since PFCs have a very high service temperature, this facilitates the metal recrystallization. In order to inhibit this process, insoluble particles are dispersed in the material allowing higher service temperatures. So far, oxides of thorium, lanthanum and yttrium have been used as dispersed particles. Tungsten binary alloys are studied in comparison with pure tungsten to understand how the contents of some elements and oxide particles affect tungsten properties. In turn, these binary alloys are used as reference materials to understand the behavior of ternary alloys. Given the close relationship between the material properties, structure and manufacturing process, this research is completed with a fractographical and micrographic analysis. The fractographical analysis is aimed to show the mechanisms that are involved in the process of the material fracture. Besides, the micrographic study will help to understand this behavior through the identification of present phases. The grain size measurement is a crucial part of the microstructural characterization. In this work, the measurement of grain size was carried out by chemical selective etching to reveal the boundary grain on prepared samples. Afterwards, micrographs were subjected to both treatment and image analysis. The dissertation ends with a discussion of results and the compilation of the most important conclusions reached through this work. The development of new materials for plasma facing components application is still under study. The analysis of these materials will help to complete a database of the features that will allow a more reliable materials selection.