Role of Lagrangian Vortices as Material Transport Barriers in a Model of Tokamak Plasmas

Abstract

No plasma de fusão, simulações numericas sao comumente utilizadas para investigar as propriedades de confinamento do plasma na regiao de borda dos tokamaks. As equacoes modificadas de Hasegawa-Wakatani (MHW) são usadas para modelar o comportamento do plasma, o que nos permite entender o transporte radial em simulações numericas bidimensionais de turbulencia de ondas de deriva resistivas eletrostaticas. Ao utilizar as equações de MHW, obtivemos melhor entendimento sobre as transições de confinamento baixo-para-alto (L-H) que ocorrem espontaneamente no plasma quando o mesmo passa de um estágio de baixo confinamento, caracterizado por fluxo turbulento, para um regime que suprime a turbulência conhecido como fluxo zonal. Para investigar essas transições, variamos o valor de um parâmetro de controle a, que esta relacionado a adiabaticidade, em simulações numéricas, e observamos a transição entre os dois regimes. Este modelo simplificado de transições L-H pode fornecer informações valiosas para tokamaks. As propriedades de mistura caotica do fluxo são caracterizadas por meio de estruturas coerentes Lagrangeanas (LCS). Primeiro, calculamos o expoente de Lyapunov de tempo finito (FTLE) do campo de velocidade calculado derivado do potencial eletrostatico para melhor caracterizar a mistura caótica dos regimes de fluxo turbulento e zonal. Em seguida, comparamos as estatísticas da mistura caotica dos dois regimes utilizando funções de distribuição de probabilidade (PDFs). Por fim, identificamos os vortices Lagrangeanos utilizando a teoria geodésica para aprofundar a nossa compreensão da mistura caotica dos dois regimes, implementando tambem o cállculo da energia cinetica para os vortices e domínio total. Estes resultados podem contribuir para a compreensão dos processos de transporte turbulento em plasmas de fusão por confinamento magneítico.