SPARC, ARC, and the Path to Commercial Fusion Power

High field superconducting magnets, such as those made with high temperature superconductors (HTS), open an alternative path toward a fusion power plant that is based on small, high power-density tokamaks. This path takes advantage of a relationship between the major radius, toroidal field, and fusion gain of tokamaks, through which higher toroidal field allows a smaller major radius at constant fusion gain. Given the recent demonstration of a 20 T, large bore, superconducting magnet [1] as well as the demonstration of high current density HTS cables [2], the next step on the path to a high field fusion power plant is a demonstration net energy facility such as the SPARC tokamak (B0 = 12.2 T, R0 = 1.85 m, a = 0.57 m, Q ≈ 11, Pfusion ≈ 140 MW, at H98 = 1.0) [3]. SPARC will demonstrate high gain in a compact device and will provide a platform to study alpha physics in a burning plasma, divertor heat exhaust in high power density regimes, and other phenomena at very high magnetic field. Commonwealth Fusion Systems recently raised a funding round in part to build and operate the SPARC tokamak [4] and construction is underway in Devens, Massachusetts. In addition to demonstrating net fusion energy in a high field tokamak, there are several other key challenges on the path to a high field fusion power plant such as ARC [5, 6]. While high magnetic field reduces concerns over pressure driven instabilities, high power density means that heat exhaust in the divertor is a key challenge. In addition, the path to a fusion power plant involves developing key blanket, tritium extraction, remote maintenance, and other technologies. This talk will describe the physics of the high field path to a fusion power plant, where the SPARC and ARC tokamaks sit on this path, and other key technology development efforts. [1] https://cfs.energy/news-and-media/cfs-commercial-fusion-power-with-hts-magnet [2] Z.S. Hartwig et al, Suprcond. Sci. Technol. 33, 11LT01 (2020). [3] A.J. Creely et

Inyección de balines (pellets) en el stellarator TJ-II. Experimento Conjunto en el marco del Programa de Proyectos de Investigación Coordinada en Fusión Nuclear del OIEA

La inyección de balines criogénicos (PI) se usa generalmente para alimentar el centro de la columna de plasma en las máquinas con confinamiento magnético. Existen otros tipos de balines que se inyectan regularmente en el plasma, por ejemplo, para estudiar el transporte de impurezas. Actualmente en el stellarator TJ-II (CIEMAT, España) la PI se utiliza para estudiar la física de los balines y el suministro de combustible [1]. La PI también es útil para el diagnóstico, por ejemplo para localizar los grupos de electrones acelerados o para obtener mayor información sobre la turbulencia del plasma. Estudios preliminares sobre el efecto de los balines de hidrógeno en el campo eléctrico radial, $E_r$, y la turbulencia en las descargas con calentamiento en la resonancia electron-ciclotrónica (ECRH) en el TJ-II han revelado que el nivel de la turbulencia en el centro del plasma se reduce fuertemente para escalas de tiempo pequeñas (1 ms) después de la PI, seguido de un incremento en la densidad y la recuperación de la temperatura de los electrones [2]. En el TJ-II, la PI se puede realizar tanto en la fase con calentamiento ECRH como en la fase con calentamiento con neutros (NBI). En la fase NBI se observa un mejor confinamiento del plasma después de una inyección en serie de balines. En el presente trabajo, se describe el experimento sobre la inyección de balines en las fases de calentamiento ECRH y NBI donde se investiga con varios diagnósticos disponibles la física de la ablación, la deposición de los balines y la perturbación del plasma. Se exploran diferentes configuraciones del campo magnético con las cuales no se ha experimentado la inyección de balines criogénicos. [1] K.J. McCarthy et al., Nucl. Fusion 57 (2017) 056039. [2] J. L. Velasco et al., Plasma Phys. Control. Fusion 58 (2016) 084004.

Líneas de Campo magnético del Tokamak para el proyecto ITER

Desde el siglo pasado los grandes avances en física permitieron optar por el poder nuclear como fuente de energía; esto se logró mediante la fisión nuclear, sin embargo, hasta la fecha no ha sido posible construir reactores de fusión nuclear eficientes. Una producción eficiente que permita obtener energía neta es lo que busca el proyecto ITER. Para conseguir la fusión nuclear se somete un plasma de Deuterio-Tritio a condiciones extremas de temperatura y presión equiparables o superiores a las existentes en el Sol. Ante estas condiciones, la única forma viable de controlar este plasma es confinarlo mediante campos magnéticos dentro de un tipo de generadores de campos magnéticos llamados Tokamaks, que se componen de una cámara toroidal equipada con sistemas de electroimanes cuyos campos magnéticos puedan confinar el plasma. Con base en numerosas investigaciones y datos de ITER se estudió la dinámica del plasma al mismo tiempo que se realizó un análisis de los campos magnéticos de los sistemas de electroimanes y como se combinan entre sí para compensar los comportamientos desfavorables para el confinamiento que llega a tener el plasma, consiguiendo así un flujo estable. También se estudió la interacción entre campos de los electroimanes con los producidos por el flujo del plasma. Con la información recabada se realizó la simulación del confinamiento del plasma en una cámara toroidal tipo Tokamak similar a la del proyecto ITER. Se reportan los resultados de las simulaciones hechas con COMSOL Multiphysics 5.6.

Avances en el Diseño del Tokamak TPM-1

El Tokamak TPM-1 es uno de los dos únicos toakamks que México ha desarrollado. Operó en la Escuela Superior de Ingeniería Eléctrica (ESIME) del Instituto Politécnico Nacional (IPN) hasta el año 2000 aprox. En la última década se han hecho esfuerzos en el CICATA-IPN Unidad Querétaro por reactivar este experimento. En esta presentación se describen los diferentes trabajos realizados, los logros alcanzados y los trabajos en curso.

¿Un cátodo virtual en la técnica pulsada de Townsend?

En esta charla se presenta el estudio de la movilidad electrónica en el seno de una descarga en oxígeno gaseoso (O$_2$), en el régimen de Townsend[1]. En la geometría tradicional, los electrones iniciales se liberan de la superficie del cátodo de un capacitor de placas paralelas. En cambio, en este trabajo, los electrones se generan por la ionización de un gas cuando un pulso láser, sin enfocar, de 355 nm lo atraviesa a la mitad de la separación del capacitor, formando una especie de cátodo virtual. La intensidad, I, del pulso utilizado fue de 16.2 x MW/cm$^2$ por lo que, preliminarmente, atribuimos la formación del cátodo virtual a la fotoionización en O$_2$ [2]. Para confirmar esta hipótesis, se verificó este mismo fenómeno en muestras gaseosas de N$_2$ y Xe. Estas mediciones se realizaron con un atenuador y una lente de f = 30 cm para enfocar el haz en el centro del capacitor. Con este arreglo es posible incrementar la intensidad hasta 9.1 x 10$^{11}$ W/cm$^2$. En este trabajo se presentan e interpretan los resultados de los tres sistemas mencionados ( O$_2$, N$_2$ y Xe) como función de la intensidad del pulso y del parámetro de Keldysh [3]. Se reportan las mediciones de los coeficientes de ionización efectiva y la velocidad de arrastre electrónica a partir del análisis de avalanchas generadas desde este cátodo virtual, y se comparan y discuten las similitudes y diferencias con mediciones hechas con cátodos reales. Finalmente, se discuten las implicaciones y limitaciones del uso del cátodo virtual en la técnica Pulsada de Townsend[4]. Investigación realizada gracias a los Programas UNAM-PAPIIT IA 101922, IN 118520, IN 116920. Agradecemos el apoyo técnico de A Bustos, G Bustos y H Hinojosa. [1] Suplemento del Bol. Soc. Mex. Fís, pp 137 (2021) [2] Suplemento del Bol. Soc. Mex. Fís, pp 101(2020) [3] J. Chem. Phys, 108, pp7739 (1998) [4] IEEE Conf Electr Insulation Dielectr Phenom (CEIDP) 130 (2014)

Diseño conceptual de una antena y del sistema ICRF para calentamiento ion cyclotron del aparato CMFX

El experimento CMFX (Centrifugal Mirror Fusion Experiment) que se construye en la U. de Maryland consiste esencialmente en un plasma confinado en un espejo magnético que rota a velocidades del orden de la velocidad de Alfvén. La rotación con cizalla radial se usa para calentar al plasma y para estabilizar el desarrollo de inestabilidades. Adicionalmente, se planea tener un sistema de calentamiento por ondas Ion Ciclotrón (ICH) para las etapas posteriores que eleve la temperatura de los iones para iniciar la fusión. Aquí se presenta el diseño conceptual del esquema de calentamiento en ICRF y de la correspondiente antena. Se estudian las porpiedades de las ondas requeridas para que se puedan propagar hasta la región de absorción, analíticamente y con simulaciones. Se usan los campos magnéticos calculados para la máquina y perfiles de densidad y temperatura del tipo esperado en estas configuraciones. Los esquemas de calentamiento considerados incluyen usar la frecuencia híbrida ion-ion y calentar a iones minoritarios. Se asumen densidades en el rango $n=1\times 10^{18} - 5\times 10^{19} m^{-3}$ con perfiles huecos cuyo máximo está en $\rho = r/a\approx 0.1$ con campos de $B_0=0.5T$. Se espera aumentar la temperatura ionica en 0.1 keV con un sistema ICRF de potencias de 20 kW que representa el 20\% de la temperatura incicial pretendida de 0.5keV . Como especies minoritarias se consideran D y He. Para la configuración de antenas se estudian (a) un arreglo de dos antenas de anillo y (b) una antena dipolar de arco y se simulan usando COMSOL Multiphysics.

Efecto de islas magnéticas en plasmas compresibles

El presente trabajo desarrolla la solución analítica y numérica para islas magnéticas angostas, esto es, islas con un ancho menor que el radio de Larmor sónico, $w\ll \rho_s$, en un plasma compresible. Se utiliza un modelo fluido de iones fríos en el régimen semi-colisional y considerando una geometría de placa. Se muestran las diferencias en los perfiles del plasma entre los casos incompresible y compresible. Se estudia el efecto que tiene la compresibilidad del plasma sobre la evolución del ancho de las islas magnéticas y, por consiguiente, en la estabilidad del plasma.

Siguiendo una prominencia desde el Sol hasta Parker Solar Probe combinando las observaciones de diferentes misiones espaciales

El 25 de abril del 2021, la sonda Solar Probe Cup a bordo de Parker Solar Probe (PSP) registró el paso de una estructura de viento solar caracterizada por una relación de densidades entre partículas alfas y protones (He+2/proton) superior al 6% que se mantuvo clara y constante durante tres horas y débil e intermitente durante las siguientes doce horas. Solar Orbiter (SolO) y PSP estaban en cuadratura casi perfecta, lo que permitió la observación óptima de una eyección desde su fuente cerca del Sol hasta su arribo a PSP. En este trabajo, reportamos el seguimiento de la erupción con la combinación de las observaciones remotas de múltiples sensores (coronógrafos y generadores de imágenes heliosféricas) de diferentes misiones espaciales (SolO, PSP y Solar-Terrestrial Relations Observatory-A, STA) y las mediciones in-situ medidas por PSP. La eyección arribó a PSP cuando se encontraba a 46 R☉, 8 horas después de cruzar la hoja de corriente heliosférica. De nuestro análisis, se identificó como la fuente de la eyección, una prominencia solar. La eyección de masa coronal (CME) asociada presentó firmas de plasma ordinarias y un campo magnético complejo. Las imágenes de PSP/WISPR muestran una estructura que ingresa al campo de visión unas horas antes del paso por PSP seguido por estructuras transitorias repetitivas que pueden ser el resultado de volar a través del cuerpo de la CME, siendo entonces, la primera vez que se capta una CME directamente, antes, durante y después de su detección in-situ. Este estudio destaca la importancia de combinar las observaciones remotas e in-situ de diferentes naves espaciales, sobre todo cuando están en cuadratura. *Katherine Reeves, Daniel B. Seaton, Phillip Hess, David Berghmans, Vincenzo Andretta HSO Connect Eruptions, PSP and Solar Orbiter Teams

Tormentas de ondas tipo espejo en la magnetofunda terrestre

La interacción del viento solar con el campo magnético de la Tierra origina la formación de la magnetósfera, la cual se encuentra rodeada por la magnetopausa y el choque de proa. Entra estas dos capas se localiza la magnetofunda, una región de plasma altamente perturbado donde abundan ondas de ultra baja frecuencia que son cruciales en la redistribución de energía y momento desde la región del choque y hasta la magnetopausa. Debido a la anisotropía en la temperatura de iones y a los elevados valores de la beta del plasma que caracterizan a la magnetofunda, uno de los modos ahí presentes es el modo espejo. Las ondas asociadas a esta inestabilidad se observan frecuentemente en el viento solar además de los ambientes magnetosféricos. Russell et al. (2009) y Enríquez-Rivera et al. (2013) reportaron la ocurrencia de tormentas tipo espejo en el viento solar. Tales tormentas consisten en trenes de hoyos y picos en la magnitud del campo magnético que pueden durar horas. En este trabajo mostramos la existencia de tormentas espejo en el plasma de la magnetofunda a partir de datos de las misiones THEMIS y MMS. Exploramos las características de las tormentas, su evolución temporal y posibles dependencias de la beta del plasma. También analizamos la evolución de las distribuciones de iones asociados a las regiones con presencia de ondas tipo espejo.

Conversión de energía durante la reconexión magnética que origina las fulguraciones solares

Uno de los mecanismos responsables de la formación de las fulguraciones solares es la reconexión magnética, durante el cual ocurre una conversión de energía magnética en energías cinética y térmica. Para cuantificar este fenómeno simulamos la evolución del plasma durante una fulguración mediante la solución de las ecuaciones de la MHD con resistividad y conductividad térmica. Las simulaciones suponen una configuración en 2.5D en un dominio rectangular perpendicular a la superficie solar que contiene la interfaz entre la cromosfera y la corona. Para disparar la fulguración se considera un campo magnético inicial libre de fuerzas externas con cambio de polaridad a lo largo de una línea vertical, y un perfil de resistividad Gaussiano que define la zona de difusión donde tendrá lugar la reconexión magnética. El estudio determina la influencia de la magnitud del campo magnético, el cual va de 11 a 50 Gauss en los máximos de las configuraciones con $\beta$ de 0.19 a 0.059, en un ambiente sin conductividad térmica y con ella. En cada caso se mide la tasa de reconexión magnética y la conversión de energía magnética en energía cinética y térmica dentro de la región de difusión, y de ahí se cuantifica la influencia de incluir o no la conductividad térmica.

Efecto de la temperatura y la energía sobre el desempeño de propulsores espaciales en base a ablación láser

Cuando se ablaciona un blanco con láser de alta potencia, se expulsan iones y fragmentos de material vaporizado de su superficie. Estos adquieren momento al ser creados y por reacción transmiten impulso a la superficie emisora. Algunos investigadores han propuesto que esta transferencia de impulso se puede emplear para propulsar naves espaciales. Hasta la fecha se han hecho pruebas con éxito usando como blanco materiales orgánicos, agua y, más recientemente, metales. Un satélite artificial está expuesto a diferentes temperaturas, que pueden ser tan bajas como 3 K. Al ser ablacionados en el espacio, los blancos pueden estar expuestos a temperaturas que pueden variar de 273 a 3 K. En este trabajo se reportan experimentos de ablación sobre una muestra de aluminio la cual se colocó dentro de una cámara de vacío en contacto con el dedo frío de un refrigerador de helio que puede bajar la temperatura de ambiente (293 K) a 20 K. Se enfocó el haz de una láser pulsado Nd:YAG con energías de 15 a 150 mJ sobre la muestra para producir el plasma de ablación. Se utilizó una cámara fotográfica ultrarrápida para obtener fotografías de barrido de la expansión del borde del plasma. Se midió la velocidad de expansión de la pluma del plasma a diferentes temperaturas del blanco desde 20 K hasta temperatura ambiente y diferentes energías láser. La velocidad del frente luminoso del plasma y la cantidad de masa ablacionada permiten realizar una estimación del momento transferido. Las velocidades medidas dependen de la energía del láser empleado y la temperatura del blanco y se encuentra que la velocidad resulta ser del orden de cientos de km/s, mientras que el volumen ablacionado para 20 pulsos acumulados varía entre11,000 y 60,000 micrones cúbicos lo que da una masa removida, por pulso, de 30 y 170 ng, respectivamente. Con estos resultados se puede obtener una cota superior para el momento transferido que resulta ser del orden de 0.001 g∙m/s, por disparo.

Estudio de la propagación de viento solar y eyecciones de masa coronal: simulaciones numéricas magnetohidrodinámicas (MHD) y su comparación con las observaciones

En este trabajo se presentará un estudio de la dinámica de la propagación de corrientes de viento solar (VS) y eyecciones de masa coronal (EMCs) en el medio interplanetario por medio de simulaciones numéricas MHD en tres dimensiones esféricas. Adicionalmente, se mostrarán algunos resultados para la velocidad, densidad y campo magnético del VS cercano al entorno terreste (~1 AU); y además se describirán las condiciones de los choques producidas por las EMCs en el entorno de la Tierra. Finalmente, los resultados de las simulaciones numéricas se compararán con las mediciones in situ obtenidas por ACE, WIND, STEREO-A, Paker Solar Probe y Solar Orbiter.

Caracterizando las estructuras de plasma en la corona solar baja

La corona solar expulsa plasma continuamente en forma de viento solar y esporádicamente en forma de eyecciones de masa coronal. La densidad y velocidad de estos eventos es determinada mediante técnicas que están limitadas observacionalmente ya que solo contamos con proyecciones en el plano del cielo de la luz fotosférica dispersada por los electrones libres del plasma. En este trabajo presentamos una nueva técnica para estimar la densidad y velocidad del plasma expulsado durante eventos transitorios de mediana y gran escala. Presentamos la técnica, su aplicación y la comparación de los resultados con los métodos tradicionales.

Espectroscopía de masas por tiempo de vuelo del Tiofeno mediante absorción multifotónica de radiación láser a 266nm, 355 nm y 532 nm

El tiofeno es una molécula policíclica aromática con simetría C2v de gran interés en la fabricación de celdas solares orgánicas y en la electrónica molecular. Sin embargo es un contaminante para el medio ambiente que se obtiene como producto de procesos químicos del carbono. Se muestran los resultados experimentales obtenidos por espectroscopía de masas y absorción multifotónica provenientes de la interacción de tiofeno con radiación láser de λ = 532, 355 y 266 nm. Para cada λ se varía la intensidad de radiación entre 100 y 400 mW obteniéndose sus espectros de masas. Se identifican los cationes y se muestra el porcentaje de corriente iónica de algunos de ellos para las diferentes longitudes de onda utilizadas. Se sugieren algunos mecanismos de disociación que dan lugar a los fragmentos observados. Investigación realizada gracias al Programa de Apoyo a Proyectos de Investigación e Innovación Tecnológica (PAPIIT) de la UNAM IN223421

Transferencia protónica por la interacción de radiación láser

El proceso de transferencia de protones es un fenómeno observado en diferentes especies moleculares. Es un tipo de reordenamiento que juega un papel importante en varias áreas de investigación como la química de la combustión, medio interestelar, daño por radiación a biomoléculas y proteómica o bien en la física de plasmas y es, por tanto, de interés común a diferentes disciplinas . Predecir el proceso de migración del hidrógeno plantea una prueba estricta para los métodos teóricos, además de los estados iniciales y finales estables de los iones moleculares producidos, se deben predecir los estados transitorios y las rutas de migración, y la capacidad de modularlos y controlarlos. La tasa de transferencia de protones tambien tiene un gran impacto en numerosos avances en tecnología cuántica. En particular se observó este proceso al estudiar la interaccion de fotones V-UV con tetrahidrotiofeno, C 4 H 8 S . Al irradiar esta molécula con luz láser de λ = 355 y 532 nm a diferentes potencias, del orden de cientos de mW y haciendo uso de la espectroscopía por tiempo de vuelo, como resultado de absorción multifotónica, se observaron los iones: CH 3 + SH + , SH 2 + y CH 3 S + cuya aparición se puede explicar como el resultado de reordenamiento molecular. Es decir al hacer un análisis de los mecanismos de disociación es posible concluir que estos productos provienen de procesos de transferencia protónica. Se presentan en este trabajo las posibles rutas de migración de protones. Investigación realizada gracias al Programa de Apoyo a Proyectos de Investigación e Innovación Tecnológica (PAPIIT) de la UNAM IN223421

Medición del coeficiente de ionización efectiva y velocidad de arrastre para mezclas de $THF-H_{2}O$

Al termalizarse, es probable que los electrones de subionización provenientes de la interacción de moléculas del tejido orgánico con la radiación ionizante, generan rupturas simples o dobles de la cadena de ADN por captura electrónica disociativa, ionización o interacción con radicales, provocando daño o muerte celular y, por ello, tienen un papel importante en el tema del daño biológico por radiación. El Tetrahidrofurano (THF, $C_4 H_8 O$) es una molécula orgánica que, en su fase gaseosa, se utiliza para modelar la interacción de electrones con la 2-Desoxirribosa, una molécula presente en el ADN. El estudio de la interacción de electrones en una mezcla de THF con agua ($H_2 O$) es de gran relevancia, debido a que en el seno de una célula hay una gran cantidad de moléculas de agua rodeando la 2-Desoxirribosa y el material genético. Mediante la Técnica Pulsada de Townsend (TPT) se han medido el coeficiente de ionización efectiva y la velocidad de arrastre electrónico para varias mezclas de THF-Agua. Se observó en la mezcla un aumento considerable de la captura electrónica con respecto a la medida en THF puro, en el intervalo de E/N de 70 a 120 Td $(1$ Td = 1x$10^{-17} Vcm^{2})$, siendo este un resultado interesante en cuanto a la influencia que tiene el agua dentro de la interacción. Se agradece al CONACyT la beca de doctorado otorgada a G.Pérez, y la asistencia técnica de G. Bustos, A. Bustos y H. Hinojosa. Este trabajo ha sido apoyado por el Proyecto PAPIIT-UNAM IN 118520 y IA101922.

Comparación del proceso de degradación de un colorante azoico mediante plasma, fenton y foto-fenton

En la industria se utiliza una gran variedad de colorantes, los tipo Azo son de los mas usados en los diferentes procesos de producción, sin embargo, la mayoría de las ocasiones no se tiene una adecuada remoción del agua. Por lo tanto, su eliminación de las aguas residuales recibe gran atención por medio de diferentes procesos de tratamiento. Debido al gran número de anillos aromáticos presentes en las moléculas de los colorantes, se ha mostrado que el tratamiento biológico convencional no es efectivo para la degradación de estos compuestos. Trabajos recientes de investigaciones han demostrado la viabilidad de tratamiento de agua contaminada con colorantes mediante el uso de procesos avanzados de oxidación (PAO´s), en este trabajo se estudia el uso de Plasma, Fenton y foto-Fenton. Muestras de agua contaminada con colorante Naranja Directa 39 (ND39) se trataron mediante Plasma a presión atmosférica, Fenton y foto-Fenton. La concentración inicial del colorante es 1.0 mM a un volumen inicial de 250 mL, utilizando FeSO4 en solución acida como catalizador. Los resultados indican que se logra disminuir la coloración de las muestras en función del tiempo de tratamiento, esto se verifico mediante el espectro de Absorción en el intervalo UV/Vis, también se obtuvo el Carbono Orgánico Total (COT) y la Demanda Química de Oxigeno (DQO), de las muestras tratadas. Además, se monitoreo el cambio del pH y la conductividad eléctrica de las muestras durante el tratamiento. El colorante alcanza una degradación mayor al 50% en 30 minutos de tratamiento. Los autores agradecen a los proyectos DGAPA IN102916, PRODEP DSA/103.5/15/6986, PROMEP 103.5/13/6626, PRODEP CA-5511-6/18-8304 y PII-43/PIDE/2013; CONACyT 268644; UAEM 4307/2017/CI.

Comparación de equilibrios de Tokamaks con diversas fronteras, empleando soluciones de senos y cosenos a la ecuación de Grad-Shafranov

El equilibrio de fuerzas en una columna de plasma en estos aparatos está descrito por una ecuación diferencial parcial no lineal conocida como la ecuación de Grad-Shafranov (GS). Dicha ecuación relaciona el flujo poloidal con el gradiente en la presión y el campo magnético toroidal, siendo ambos función del mismo flujo. Sus soluciones analíticas resultan útiles para el estudio del equilibrio y, posteriormente, análisis de la estabilidad de dichos equilibrios. Este último tipo de soluciones consiste en proponer perfiles de presión y de campo magnético toroidal, que permitan reducir la ecuación a una lineal. En este trabajo se estudian soluciones analíticas a la ecuación GS propuestas por L. Guazzotto y J. Freidberg [Phys.Plasmas 87, 905870303 (2021)] a partir de series de funciones de senos y cosenos para el flujo poloidal. Éstas permiten analizar propiedades más realistas en un tokamak, como lo son, los perfiles de corriente y presión, dados los parámetros de la frontera del plasma, así como las contribuciones por corriente de Bootstrap. Su implementación numérica, cortesía del mismo Guazzotto, está hecha en MATLAB. El objetivo principal de este trabajo es obtener la forma de los campos toroidal y poloidal así como el perfil del factor de seguridad para la configuración geométrica de la columna de plasma con tres conjuntos realistas de parámetros relevantes a tokamaks modernos. Se observa cómo varían las figuras de mérito al cambiar la configuraciones de la frontera de la columna del plasma, es decir, la razón de aspecto, la elongación y la triangularidad.

Identificación de perturbaciones viajeras en el plasma de la ionósfera

Las perturbaciones ionosféricas viajeras (TIDs) son irregularidades en el plasma que se propagan en la parte alta de la atmósfera, y se caracterizan por tener una densidad electrónica más baja que su entorno. Su tránsito puede interferir en la propagación de las ondas de radio y afectar las comunicaciones terrestres y telecomunicaciones, por lo cual es de vital importancia su estudio y seguimiento. En este trabajo se analizó la frecuencia y horarios de ocurrencia de las TIDs hacia el norte del país, utilizando datos del contenido total de electrones (TEC) durante el 2018 - 2020. Para la estimación del TEC se usaron datos del receptor GPS MNIG, a los cuales se les removió la tendencia para poder aplicar un análisis espectral. Para ello se aplicó la transformada Wavelet con la que fue posible resaltar los periodos predominantes en donde se presentaron las perturbaciones ionosféricas, así como los horarios de ocurrencia.

Estudio de descarga de plasma, generado por placas paralelas, mediante un arreglo de sondas de Langmuir

Se estudio una descarga de plasmas, generado por una fuente de voltaje directa, entre 2 plasmas circulares de cobre de dos pulgadas de diámetro. El plasma se caracterizó mediante un arreglo de 4 sondas simples de Langmuir, que se distribuyen de forma equidistante a lo largo entre las placas paralelas. Se hicieron curvas características de Corrientes vs Voltaje aplicado a cada sonda, de -100V a +40V, variando la presión de gas de trabajo (Argón). Se realizo un análisis para conocer cómo cambian los parámetros de plasma: corriente de saturación de iones y electrones, temperatura de electrones, potencial flotante y potencial de plasma. El objetivo de estudiar este tipo de plasmas es poder comprender mejor el mecanismo de distribución de energía de los electrones a lo largo de la descarga.

Caracterización de la potencia eléctrica de un Plasma Jet

Los plasmas fríos generados a presión atmosférica aplicados a la desinfección y degradación de contaminantes es un tema de interés de la Física, debido a la generación de especies atómicas y moleculares, algunas de las cuales son oxidantes, por ejemplo: OH, N2, NOx, O3, O2, O-, H2O2, motivo por lo cual pueden ser aplicados en la degradación de contaminantes y el tratamiento de superficies. El trabajo se centra en el estudio de un plasma jet, generado a partir de una descarga de barrera dieléctrica; tomando en cuenta que este tipo de descargas tienen una menor potencia eléctrica, los hace viables para su interacción con material biológico. Una forma de caracterizar la descarga es utilizando el método de potencia instantánea, en el presente trabajo se muestran los resultados obtenidos mediante un osciloscopio del comportamiento de corriente y voltaje para la determinación de la potencia eléctrica en el sistema. Se agradece al proyecto 6324/2021 ESP y a la beca CONACYT para estudios de posgrado.

Revisión del Criterio de Lawson

El criterio de Lawson es una de las metas necesarias a cumplir para que un plasma produzca mayor energía de fusión que la que se pierde por bremsstrahlung. Depende del tipo de reacción que se desee emplear, y establece cotas mínimas para la densidad, tiempo de confinamiento y temperatura de los iones en el plasma. En general se le presenta como una gráfica del triple producto de estas tres variables en función de la temperatura. Sin embargo, es un cálculo simple en cero dimensiones. Por ello es conveniente considerar otros factores. Por ejemplo, Guazzoto y Betti [2] han considerado un modelo de varios fluidos, con diferentes temperaturas, y lo han extendido a una dimensión espacial, considerando diversos perfiles de densidad y temperatura. [1] J D Lawson 1957 Proc. Phys. Soc. B 70 6 [2] L Guazzotto and R Betti 2019 Plasma Phys. Control. Fusion 61 085028

Sobre la invariancia de norma de la helicidad magnética en magnetohidrodinámica

La helicidad magnética y la helicidad cruzada son cantidades conservadas en magnetohidrodinámica ideal que están asociadas a corrientes de Noether, y se reconocen como invariantes de norma. En particular la helicidad magnética es una medida topológica del grado de enrollamiento de tubos de campo magnético, y por lo tanto depende de su geometría. En este trabajo se expone de una forma general el cómo la helicidad magnética se puede describir para tubos entrelazados, de modo que uno de ellos serpentea alrededor de un eje circular plano. Para ello se separa en una contribución de “twist” y otra de “writhe”, siguiendo la exposición de P. Bellan [1], y se muestran ejemplos de campos magnéticos en los que éstas configuraciones se presentan en experimentos de confinamiento magnético, en donde se presentan modos de rizo.. [1] P. M. Bellan, Fundamentals of Plasma Physics, Cambridge University Press, 2006.

Simulaciones de transporte y del campo eléctrico radial del tokamak T-10 usando el código Astra

El tokamak T-10 que se encuentra en el Instituto Kurchatov de Rusia es un aparato de tamaño medio que tiene instalado un diagnóstico para medir el potencial eléctrico en todo el volumen del plasma., conocido como heavy ion beam probe (HIBP). Usando los datos experimentales para dos descargas en las que se aplicó calentamiento por ondas electrón ciclotrón (ECRH), que incluyen perfiles de densidad, temperatura y potencial eléctrico, se estudian distintos modelos de transporte por medio de simulaciones de transporte. Se usa el código Astra por medio del cual se sigue la evolución temporal de la descarga a medida que se varía el nivel de calentamiento por ondas. Se encuentran los modelos que mejor reporducen los perfiles experimentales para la densidad y las temperaturas. Con esto se estudian los efectos que pueden producir campos eléctricos radiales del mismo tipo de los medidos con la HIBP. Se encuentra que el efecto principal es la presencia de una rotación poloidal cizallada, que domina sobre el gradiente de presión. Sin embargo, para reproducir el cambio de signo del campo eléctrico observado al aumentar la temperatura, la rotación debe seguir un modelo de transporte de momento de características especiales.

Estudios previos para el diseño de un tokamak de configuración variable

Actualmente el tokamak es el concepto más avanzado de confinamiento magnético, con miras a diseñar un reactor de fusión nuclear controlada. Bajo las condiciones actuales de financiamiento a la ciencia y la tecnología en México, es poco viable el construir un aparato de este tipo que sea capaz de realizar una contribución significativa en el campo. Sin embargo, para poder incidir en éste, es necesario contar con herramientas que permitan entrenar a los especialistas que se dediquen a su estudio y desarrollo. En este contexto, se presenta un estudio previo en el que se presentan varias opciones para diseñar un tokamak de configuración variable, a lo largo de las líneas del TCV de la Escuela Politécnica Federal de Lausana, Suiza. El propósito sería contar con un aparato en el que se podría estudiar la física de diversas configuraciones del plasma. Si bien la construcción de dicho aparato no es viable en el presente, el ejercicio de diseño permite a estudiantes familiarizarse con los diversos aspectos del control del equilibrio de la columna de plasma, y presenta un punto de partida para realizar simulaciones cada vez más elaboradas. El estudio se hace mediante el código de equilibrio FIESTA [1], basado en el efit [2], desarrollado por Geofrey Cunningham del Culham Centre for Fusion Energy. [1] G. Cunningham 2013 Fusion Engineering and Design 88 3238 [2] L.L. Lao et al 1985 Nucl. Fusion 25 1611