Título
Estudio de barreras de transporte espontáneas en el tokamak GOLEM
Motivación
Las barreras de transporte son regiones del plasma donde la turbulencia es suprimida, mejorando significativamente el confinamiento de partículas y energía. Este fenómeno es la base del modo de alto confinamiento (modo-H), esencial para el funcionamiento de reactores de fusión como ITER. Tradicionalmente, en tokamaks de configuración circular, las barreras de transporte solo se han observado mediante polarización externa con electrodos.
Sin embargo, un trabajo reciente de Macha et al. (2023), publicado en Nuclear Fusion, reportó por primera vez la formación espontánea de una barrera de transporte en plasmas de helio en el tokamak GOLEM. Los autores observaron:
• Aumento del gradiente de temperatura electrónica (∇Te) en la scrape-off layer (SOL).
• Incremento del campo eléctrico radial hasta ~5 kV/m.
• Aumento de la velocidad poloidal y la tasa de cizalladura (shear: ) a valores comparables con H-mode en ASDEX Upgrade.
• Cambios significativos en fluctuaciones de potencial flotante y temperatura, consistentes con la supresión de estructuras turbulentas.
Los propios autores señalan que la causa de esta formación espontánea no está clara. Entre las hipótesis planteadas están: el uso de helio (umbral de potencia – power threshold – más bajo que el hidrógeno), la presencia de impurezas (C, O, N, Mo), o condiciones particulares de la pared.
Objetivos
• Comprender el marco teórico y experimental de las barreras de transporte, incluyendo el rol del flujo E×B, la tasa de cizalladura, y los diagnósticos electrostáticos (sondas ball-pen y Langmuir).
• Reproducir los resultados de Macha et al. (2023) accediendo a las descargas de la campaña reportada, reprocesando las señales de las sondas y reproduciendo figuras claves.
• Explorar hipótesis no resueltas mediante el análisis de la base de datos histórica de GOLEM (ej: otras descargas de helio que puedan haber presentado comportamientos similares), correlacionando la presencia de la barrera con parámetros como presión, corriente de plasma, o indicadores de impurezas.
• Diseñar una nueva campaña experimental para probar hipótesis específicas (ej: variar presión, probar con hidrógeno, modificar condiciones de pared con glow discharge, etc.). Elaborar un documento de propuesta experimental que incluya objetivos, condiciones a variar, justificación física, y diagnóstico necesario.
Calendario
| marzo | W1 – W4 | 📚 Revisión de literatura: plasmas, tokamaks, GOLEM, diagnósticos (magnéticos, sondas), barreras de transporte, H-mode, flujo E×B, tasa de cizalladura. |
| W2 – W4 | 💻 Explorar visualizador de datos (Github) y plataforma GOLEM para acceso a datos. Localizar las descargas de la campaña reportada. Familiarizarse con el formato de los datos. | |
| W4 | 🗨️ [14.30] Presentar términos clave nuevos (ej: barrera de transporte) y por qué son relevantes. Resumir resultados del paper. 📩 Entregables: (1) Términos clave nuevos con explicaciones / definiciones, (2) Gráficos de ejemplo de señales de sondas. |
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| abril | W1 – W3 | 💻 Escribir script en Python para cargar datos de las descargas. Visualizar señales crudas de las sondas (ball-pen y Langmuir). Sincronizar con otros diagnósticos. |
| W1 – W3 | 🔬 Implementar el cálculo de Te, Φ, Er y vpol siguiendo la metodología del paper. Usar coeficiente de calibración α=2.0. | |
| W2 – W4 | 📊 Reproducción de figuras, generando perfiles radiales para los mismos intervalos de tiempo del paper. Comparar visualmente con las figuras publicadas. | |
| W4 | 🗨️ [14.30] Presentación de avance: Mostrar los perfiles radiales obtenidos, superpuestos con los del paper. Discutir similitudes y diferencias. 📩 Entregables: (1) Scripts de carga y cálculo subidos a GitHub, (2) Figuras de perfiles radiales (Te, Φ, Er y vpol) para los dos intervalos. |
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| mayo | W1 – W3 | 📊 Análisis de fluctuaciones, calculando espectrogramas y PSD para potencial flotante, potencial de sonda ball-pen y Te. Reproducir figuras del paper (9-12). |
| W1 – W4 | 🔍 Exploración histórica en la base de datos de GOLEM (sobretodo PUC-GOLEM) otras descargas de helio. Aplicar el mismo análisis para detectar posibles barreras no reportadas. Crear tabla de candidatas. Evaluar si hay patrones (ej: solo ocurre en ciertas ventanas de presión o corriente). | |
| W1 – W4 | 📝 Preparar primeras secciones de informe final: motivación, introducción y configuración experimental. | |
| W4 | 🗨️ [14.30] Mostrar los espectros y PSD obtenidos. Presentar la tabla de descargas candidatas y patrones preliminares. 📩 Entregables: (1) Figuras de espectros y PSD comparadas con el paper, (2) Tabla de descargas de helio analizadas con indicador de posible barrera. |
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| junio | W1 – W2 | ⚡Diseño de propuesta experimental y realizar experimentos. Definir: (1) Hipótesis a probar, (2) Plan de descargas, (3) Diagnósticos necesarios, (4) Número estimado de disparos. |
| W1 – W3 | 📝 Preparar borrador de informe final: resultados, análisis y conclusiones. | |
| W2 – W4 | 📈 Procesar nuevas descargas. Incorporarlas al análisis. | |
| W4 | 👨🏫 [14.30] Práctica de presentación final (15 min). 📩 Entrega de informe final de práctica (29 de junio) |
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| julio | W1 – W2 | 👨🏫 [13-14 de junio] Presentación final (fecha exacta a confirmar). 📩 Entrega de diapositivas, figuras y conclusiones principales y propuestas a futuro. |
Preguntas guía
• ¿Cuáles son los parámetros característicos del tokamak GOLEM?
• ¿Qué es una barrera de transporte? ¿Qué es el modo-H y cómo se relacionan?
• ¿Qué es el flujo y cómo puede suprimir la turbulencia?
• ¿Qué es la tasa de cizalladura () y cómo se calcula? Según el paper, ¿qué valores de se alcanzaron y cómo se comparan con otros tokamaks (ej: ASDEX Upgrade)?
• ¿Qué son las sondas ball-pen y de Lengmuir? ¿Cómo se diferencian? ¿Cómo se calcula , , y a partir de las mediciones?
• ¿Cómo se determinó la posición de la última superficie cerrada (LCFS) en el paper de Macha? ¿Qué significa que los perfiles se grafican con respecto a la LCFS? ¿Por qué es importante para eliminar el efecto del movimiento del plasma?
• ¿Crees que este fenómeno podría observarse también en hidrógeno? ¿Por qué sí o no?
• ¿Qué criterios usarás para decidir si una descarga presenta o no presenta barrera?
• ¿Cuántos disparos estimas que serían necesarios para probar tu hipótesis principal?
• ¿Qué resultados esperarías ver si tu hipótesis es correcta?
• ¿Qué limitaciones tiene tu análisis? ¿Qué se necesitaría medir para confirmar aún más las conclusiones?
• ¿Qué implican estos resultados en futuros reactores como ITER?