Chaotic transport in magnetized plasmas

Abstract

Resumo: O transporte anômalo de partículas impulsionado por ondas de deriva permanece um obstáculo crítico para o confinamento de plasma em dispositivos de fusão. Esta tese in vestiga a dinâmica não linear do transporte de partículas sob a influência de ondas de deriva, empregando um modelo Hamiltoniano para entender o papel do caos na regula ção do transporte. O movimento das partículas é analisado sob diferentes condições de amplitude de onda: amplitudes constantes, amplitudes periódicas e caóticas derivadas da equação de Hasegawa-Mima, e um modelo fenomenológico de modulação dente-de-serra. Um resultado chave emerge do acoplamento com Hasegawa-Mima: amplitudes de onda periódicas induzem transporte hiperbalístico (a>2) com menos caos, enquanto amplitu des caóticas levam a transporte superdifusivo (1 <a<2) com mais caos, revelando uma correlação negativa entre a intensidade do caoseaeficiência do transporte. Este resultado é corroborado pelo modelo dente-de-serra, que demonstra ainda que o aumento do caos através de modulação mais lenta suprime o transporte anômalo em direção à difusão nor mal (a ? 1) ao destruir estruturas coerentes do espaço de fase. Esses achados destacam que a coerência do campo de ondas, e não apenas o caos, dita a eficiência do transporte, sugerindo potenciais estratégias de controle baseadas na manipulação das características da turbulência

Abstract: Anomalous particle transport driven by drift waves remains a critical obstacle to plasma confinement in fusion devices. This thesis investigates the nonlinear dynamics of particle transport under drift wave influence, employing a Hamiltonian model to elucidate the role of chaos in transport regulation. Particle motion is analyzed under different wave amplitude conditions: constant amplitudes, periodic and chaotic amplitudes derived from the Hasegawa-Mima equation, and a phenomenological sawtooth modulation model. A key finding emerges from the Hasegawa-Mima coupling: periodic wave amplitudes induce hyperballistic transport (a>2) with lower average chaos, while chaotic amplitudes drive superdiffusive transport (1 <a<2) with higher average chaos, revealing a anticorre lation between chaos intensity and transport efficiency. This result is corroborated by the sawtooth model, which further demonstrates that increasing chaos via slower modu lation suppresses anomalous transport towards normal diffusion (a ? 1) by destroying coherent phase-space structures. These findings highlight that wave field coherence, not solely chaos, dictates transport efficiency, suggesting potential control strategies based on manipulating turbulence characteristics