Information theory applied to numerical simulations of tokamak plasmas in a low-to-high confinement transition

Abstract

A turbulência exerce influencia significativa sobre o transporte radial na região de borda dos plasmas no interior de tokamak, um fator crítico no confinamento magnético para experimentos de fusão. Apesar do seu impacto substancial, a compreensão da turbulência neste contexto permanece limitada. Estruturas coerentes sãao fundamentais no domínio do transporte turbulento dentro de plasmas de fusão. A entropia e a complexidade, derivadas da teoria da informação, servem como uma ferramenta valiosa para quantificar o nível de ordem ou desordem em plasmas turbulentos. Notavelmente, essas estruturas coerentes contribuem para a observação de baixos valores de entropia espectral em dados obtidos de plasmas espaciais e simulações numéricas de turbulência magnetohidrodinêamica.

Nesta análise, nos concentramos em simulações numéricas bidimensionais das equações modificadas de Hasegawa-Wakatani, que fornecem um modelo não linear simplificado para turbulência de ondas de deriva resistivas eletrostáticas em plasmas, construímos um diagrama de bifurcação que ilustra a transição de um regime turbulento para um dominado por fluxos zonais, suprimindo efetivamente a turbulência. Para avaliar o nível de ordem ou desordem espacial durante esta transição, calculamos o índice de complexidade-entropia de Jensen-Shannon da velocidade, derivado do potencial eletrostático. Este índice usa a potência normalizada dos coeficientes de shearlet como distribuição de probabilidade. As nossas descobertas revelam que o regime turbulento apresenta um maior grau de entropia e um menor grau de complexidade, contrastando com o regime dominado por fluxos zonais caracterizados por valores de entropia mais baixos e um maior grau de complexidade. Esses resultados têm potencial para avançar nossa compreensão de processos não lineares na turbulência de ondas de deriva em plasmas de fusão.