Implosiones magnetizadas para fusión nuclear por confinamiento inercial

Abstract

En este trabajo se realizaron simulaciones de implosiones cilíndricas magnetizadas para fusión por confinamiento inercial, para la reacción de deuterio y tritio. El trabajo tiene como objetivo estudiar el comportamiento del plasma, tanto macroscópica como microscópicamente, bajo los efectos de campos magnéticos aplicados de 0 a 50 T. La importancia de dicho estudio recae por tanto en la comprensión de dichos efectos, para su posterior aplicación a fin de controlar y consecuentemente optimizar las implosiones para proyectos de fusión futuros. Las simulaciones estaban basadas en experimentos previos llevados a cabo en la instalación láser OMEGA de Estados Unidos, siendo por tanto realizables en dicho laboratorio. Las simulaciones de este trabajo hacían uso de un código magnetohidrodinámico, el cual caracterizaba las implosiones en términos de magnitudes macroscópicas. Las simulaciones otorgaron datos de densidad, temperaturas iónicas y electrónicas y campo magnético para cada punto de combustible. Empleando estos datos se estudió cómo de fijado estaba en cada caso el campo magnético al plasma y el cociente entre la presión térmica y magnética. El resultado de las mismas revela una compresión del campo magnético muy considerable, llegando así el campo inicial a ser multiplicado hasta por factores de 103. Este aumento resulta en presiones magnéticas extremadamente altas para tiempos avanzados de la implosión, llegando incluso a superar la presión térmica para los casos de magnetización más extrema. A mayores, se obtuvieron los radios de Larmor electrónicos e iónicos, a fin de analizar las pérdidas energéticas y la variación de la conducción térmica en función del campo. Los radios de Larmor electrónicos resultaron ser muy bajos para todos los campos, explicando así el aumento de la temperatura debido a una baja conducción térmica. Por otra parte, los radios de Larmor iónicos tenían valores superiores, de tal forma que a campos bajos, los iones eran capaces de escapar del cilindro, aumentando así las pérdidas y disminuyendo la temperatura.

Simulations of magnetized cylindrical implosions for inertial confinement fusion were ca- rried out in this work, for deuterium and tritium reaction. The objective of the work is to study the behavior of plasma, both macroscopically and microscopically, under the effects of applied magnetic fields from 0 to 50 T. The importance of this study lies therefore on the understanding of those effects, for its subsequent application in order to control and consequently optimize implosions for future fusion projects. The simulations were based on previous experiments carried out at the OMEGA laser facility in the United States, and are therefore feasible in that laboratory. The simulations of this work made use of a magnetohy- drodynamic code, which characterized the implosions in terms of macroscopic magnitudes. The simulations provided density data, ionic and electronic temperatures, and magnetic field for each of fuel points. Using these data, it was studied how fixed the magnetic field was in each case to the plasma, and the ratio between the thermal and magnetic pressures. The results reveal a large compression of the magnetic field, thus reaching the initial field to be multiplied up to factors of 103. This increase results in extremely high magnetic pressures for advanced implosion times, even exceeding thermal pressure for the most extreme magne- tization cases. In addition, the electronic and ionic Larmor radii were obtained, in order to analyze the energy losses and the variation of thermal conduction depending on the field. The electronic Larmor radii turned out to be very low for all fields, thus explaining the increase in temperature due to low thermal conduction. On the other hand, the ionic Larmor radii had higher values, in such a way that at low fields, the ions were able to escape from the cylinder, thus increasing the losses and decreasing the temperature.