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Doctoral Thesis
DOI
https://doi.org/10.11606/T.43.2023.tde-03072023-123237
Document
Author
Full name
Matheus Palmero Silva
E-mail
Institute/School/College
Knowledge Area
Date of Defense
Published
São Paulo, 2023
Supervisor
Committee
Caldas, Ibere Luiz (President)
Guimarães Filho, Zwinglio de Oliveira
Leonel, Edson Denis
Rizzato, Felipe Barbedo
Rodrigues, Francisco Aparecido
Title in English
Chaotic transport in symplectic maps: applications in plasma
Keywords in English
Hamiltonian systems; Chaos; Tokamak
Abstract in English
Chaotic transport is related to the complex dynamical evolution of chaotic trajectories in Hamiltonian systems, which models various physical processes. In magnetically confined plasma, it is possible to qualitatively describe the configuration of the magnetic field via the phase space of suitable symplectic maps. These phase spaces are of mixed type, where chaos coexists with regular motion, and the complete understanding of the chaotic transport is a challenge that, when overcome, may provide further knowledge into the behaviour of confined fusion plasma. In this research, we focus our investigation on the properties of chaotic transport in mixed phase spaces of two symplectic maps that model the magnetic field lines of tokamaks under distinct configurations. The single-null divertor map, or Boozer map, models the field lines of tokamaks with poloidal divertors. The ergodic magnetic limiter map, or Ullmann map, models the magnetic configuration of tokamaks assembled with ergodic magnetic limiters. We propose two numerical methods developed to study and illustrate the differences between the transient behaviour of open field lines in both models while considering induced magnetic configurations that either enhance or restrain the escaping field lines. The first analysis shows that the spatial organisation of invariant manifolds creates fitting transport channels for the open field lines, influencing the average dynamical evolution in the selected magnetic configurations. The second identifies trajectories that widely differ from the average chaotic behaviour, specifically detecting the stickiness phenomenon, which can be related to additional confinement regions in the nearest surroundings of magnetic islands in the plasma edge. These analyses may, ultimately, assist in selecting optimal experimental parameters to achieve specific goals in tokamak discharges.
Title in Portuguese
Transporte caótico em mapas simpléticos: aplicações em plasmas
Keywords in Portuguese
Sistemas hamiltonianos; Caos; Tokamak.
Abstract in Portuguese
O transporte caótico é relacionado à evolução dinâmica de trajetórias caóticas em sistemas hamiltonianos, os quais modelam vários processos físicos. Em plasmas confinados magneticamente, é possível descrever qualitativamente a configuração do campo magnético através de espaços de fase de mapas simpléticos adequados. Esses espaços de fase são do tipo misto, onde o caos coexiste com o movimento regular, e o entendimento completo do transporte caótico é um desafio que, quando superado, pode fornecer uma maior compreensão sobre o comportamento de plasmas de fusão confinados. Nesta pesquisa, focamos nossa investigação nas propriedades de transporte caótico em espaços de fase misto de dois mapas simpléticos que modelam as linhas de campo magnético de tokamaks sob configurações distintas. O mapa de desviador single-null, ou mapa de Boozer, modela as linhas de campo de tokamaks com desviadores poloidais. O mapa do limitador magnético ergódico, ou mapa de Ullmann, modela a configuração magnética de tokamaks equipados com limitadores magnéticos ergódicos. Propomos dois métodos numéricos desenvolvidos para estudar e ilustrar as diferenças entre o comportamento transitório das linhas abertas de campo em ambos os modelos, considerando configurações magnéticas induzidas que aumentam ou restringem a escape das linhas de campo. A primeira análise mostra que a organização espacial das variedades invariantes cria canais de transporte para as linhas abertas de campo, influenciando a evolução dinâmica geral nas configurações magnéticas selecionadas. O segundo identifica trajetórias que diferem amplamente do comportamento caótico geral, detectando especificamente os fenômenos de stickiness, que podem estar relacionados à novas regiões de confinamento entre a vizinhança das ilhas magnéticas na borda do plasma. Essas análises podem, em última análise, auxiliar na seleção de parâmetros experimentais apropriados para atingir objetivos específicos em descargas de tokamaks.
 
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Publishing Date
2023-07-17
 
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