Una contribución a la comprensión de la fusión pulsada en focos de plasma autoconfinados
Authors: Giovachini Ricardo Hernán 
Published: February 2025

En esta tesis se presenta un estudio sistemático experimental y teórico de las emisiones neutrónicas pulsadas en descargas eléctricas en un plasma focus de baja energía. El estudio experimental consistió en una campaña realizada en el plasma focus PACO, operando con deuterio en un rango de presiones de carga entre 0,5 y 3,0 mbar, usando tres configuraciones diferentes de cátodos. Se analizaron exhaustivamente las señales eléctricas de cada descarga y se determinó la evolución de la inductancia de la lámina de corriente. A partir de esta información se obtuvieron valores medios y bandas de confiabilidad del radio y la longitud del pinch consistentes con leyes de escala empírica previamente publicadas. A su vez, en base a la variación de la inductancia en el colapso radial de la lámina de corriente se logró determinar la energía depositada en el foco, la cual corresponde a temperaturas efectivas medias entre 2 y 12 keV. Con estos resultados se propuso un modelo de pinch dinámico donde se incorporan perfiles radiales no uniformes de densidad y temperatura. La selección de los perfiles admisibles se hizo siguiendo el método de residuos ponderados, y se usaron como guía las mediciones ópticas reportadas por el grupo de plasmas de la Comisión Chilena de Energía Nuclear. Mediante este modelo se encontró una correlación que asocia la duración del pinch con el radio medio del mismo. Posteriormente, se aplicó este modelo para relacionar la producción neutrónica de cada descarga con los parámetros característicos del pinch, bajo la hipótesis de que las reacciones de fusión pueden explicarse mediante un mecanismo termonuclear. Proponiendo como función test un perfil radial gaussiano, se encontró que las mediciones de producciónneutrónica pueden describirse asumiendo una temperatura efectiva de reacción resultante del promedio ponderado de las distribuciones radiales. Finalmente, mediante procesamiento estadístico se logró determinar la variación del radio medio y la duración del pinch con la presión.

This thesis presents an experimental and theoretical study of the relevant magnitudes characteristic of pulsed electrical discharges in coaxial geometries, operating at low deuterium pressure. The outcome of the study wasa comprehensive characterization of the pressure dependence of relevant magnitudes of the pinch, namely, the effective temperature, radius and lifetime. The experimental part of the thesis consists of a measurement campaign performed in the plasma focus PACO, operating between0.5-3.0mbar of deuterium, using three different cathodes. The analysis of the electrical signals of each discharge leads to the determination of the pinching time, the pinch current, and the inductance jump occurring during the radial collapse of the current sheath. Using this information it is possible to assess the size of the pinch, which isin agreement withtheknown scale lawsfor plasma focus devices. Moreover, the energy deposited on the pinch was estimated by processing the electrical signals, which corresponds to effective temperatures rangingfrom 2 to 12 keV. A model of dynamic pinch was then proposed, assuming a non-uniform radial profile of density and temperature, inspired by optically measured profiles reported by researchers of the Chilean Nuclear Energy Commission. Using this model, it is possible to find a relation between the lifetime and the average radius of the pinch. The model was also applied to associate the neutron yield with magnitudes of the pinch, assumingthat the fusion reactions can be described by a thermonuclear mechanism. It was found that the fusions can be explained using an effective fusion temperature resulting from the weighted average of the radial distributions. Finally, the pressure dependenceof the pinch radius and lifetime was calculated by statistically calibrating Gaussian radial distributionsfor each cathode configuration.