Edge plasma characterization on the RFX-mod device

The controlled thermonuclear fusion represents one of the most promising future energy source since it would meet the requirements of a clean, renewable and thus, virtually inexhaustible resource. The attempt to reproduce on the Earth the process that powers all the active stars of the universe is, however, made difficult by the present inability to realize in a laboratory an optimal plasma confinement at the conditions of high temperature and density. These conditions are needed to overcome the repelling Coulomb force and to bring the reactant nuclei within the range of their strong interaction. One of the most active research field in nuclear fusion is the study of the plasma (a state of matter consisting in a quasi neutral ensemble of ions and electrons) confinement optimization by exploiting the effect of the magnetic field application. The work presented in this thesis is to a large extent devoted to the analysis of a particular magnetic configuration: the so called Reversed Field Pinch (RFP). The peculiar shape of the applied magnetic field for plasma confinement gives the name to this toroidal magnetic configuration; in particular, the toroidal component (parallel to the chamber axis) reverses its sign in the outermost region. As explained in the first chapters, this feature leads to several consequences on the confined plasma inside the machine. Historically, the RFP has been characterized from a side, for the ability to achieve high plasma current regimes with an applied magnetic field smaller than in other configuration such as the Tokamak; on the other side, for a poor magnetic confinement due to the presence of a wide spectrum of MHD instabilities (leading to a so called Multiple Heliticy state). The recent results obtained by the RFX-mod RFP experiment (on which this thesis work has been carried out) at plasma current beyond 1.5 MA, demonstrated the possibility to achieve significant improvements in terms of plasma confinement. In particular, the spontaneous transition towards an higher level of self-organization (in the so called Quasi Single Helicity QSH/SHAx states) excited much interest among the fusion community. Unfortunately, at the moment, these improved confinement states (in which the plasma can reach temperature values of about ten millions degrees) appear almost solely at low density values. At higher density the RFX-mod plasma tends to show the traditional poor confinement features typical of the Multiple Helicity (MH) states. This phenomenology, not totally understood yet, has been related to some processes occurring in the outermost plasma regions particularly exposed to the interaction with the first wall of the chamber. The thesis research activity aimed to characterize this crucial edge plasma region of RFX-mod, through two particular diagnostic systems: a microwave reflectometer and an insertable electric probe, the so called Gundestrup probe. The microwave reflectometer is a device that, exploiting the electromagnetic wave reflection by a given plasma layer, is able to evaluate the distance from the antenna (the launcher). According to the launched frequency is possible probing plasma layers with different density values. The high fluctuations level present on a RFP, up to now were hampered any atteimpts to have reliable reflectometric measurements on such a device. The first Ka-band of a new diagnostic scheme (developed in the RFX laboratory), after a preliminary calibration phase, has been continuously operational on the RFX-mod device since the mid of 2009. The experimental validation through the comparisons with different well-established diagnostic systems demonstrated the reliability of the microwave reflectometer also on the RFP configuration. Moreover, the analysis of the large collected data amount allowed characterizing the plasma density dynamics of the edge region. In particular, the reflectometer high time resolution enabled highlighting the deep relation between the low frequency magnetic plasma fluctuations and the presence of magnetic islands produced by the different MHD instability resonances in the edge. Finally, the study of the averaged behaviour over a large discharges database improved the understanding of the effect of the global parameter changes on the plasma-wall interaction. The Gundestrup probe is, instead, a special electric probe insertable at different radial position in the plasma. Its peculiar configuration (composed by 10 electrodes) allowed evaluating the different local plasma flow components starting from the ion saturation current data (the current collected by a biased electrode exposed to the plasma). During the research activity has been also developed an innovative method to estimate the parallel and perpendicular (with respect to the edge magnetic field) flow components starting from the floating potential measurements (the potential measured by a floating electrode exposed the plasma). The application of this method, experimental validated on RFX-mod and also on the ISTTOK Tokamak (at the IST Association in Lisbon), allowed to reconstruct the edge radial profiles of the plasma flow. Also in this case the interaction with the strong MHD activity has been highlighted. In particular, in the low plasma current regimes (in the MH states) the presence of the m=0 mode resonance has been found to produce a significant parallel flow increase. In the high plasma regimes (QSH states) strong flow modulations has been observed according to the edge deformations produced by the MHD dominant mode (m=1,n=7) and already expected by numerical simulations.

La fusione termonucleare controllata rappresenta una delle più promettenti future fonti di energia grazie alla sua caratteristica di risorsa pulita, rinnovabile e dunque potenzialmente inesauribile. Il tentativo di riprodurre sulla Terra il processo che da miliardi di anni alimenta tutte le stelle attive dell'universo, è reso, però, difficoltoso dall'incapacità attuale di realizzare in laboratorio un confinamento ottimale del plasma in condizioni di alta temperatura e densità. Queste condizioni sono necessarie per vincere la repulsione Coulombiana e portare i nuclei reagenti al range di distanza della loro interazione forte. Uno dei campi di ricerca più attivi nell'ambito della fusione nucleare è quello che studia l'ottimizzazione del confinamento del plasma sfruttando l'effetto dell'applicazione di campi magnetici. Il lavoro presentato in questa tesi è in larga parte dedicato all'analisi di una particolare configurazione magnetica: il Reversed Field Pinch (RFP), la cosiddetta macchina a campo rovesciato. Questa configurazione a geometria toroidale prende il suo nome dalla peculiare forma dei campi magnetici applicati per confinare il plasma; in particolare dalla componente toroidale (parallela all'asse della camera) che nella regione più esterna inverte il suo segno. Come spiegato nei primi capitoli, questa caratteristica ha diverse conseguenze sulla dinamica del plasma confinato all'interno della macchina. Storicamente, l'RFP si caratterizzava da una parte per la capacità di raggiungere alti regimi di corrente di plasma con un campo magnetico applicato meno intenso rispetto ad altre configurazioni come il Tokamak; dall'altra per un basso livello di confinamento magnetico del plasma, deteriorato dalla presenza di un ampio spettro di instabilità MHD (che portano a un cosiddetto stato di Multipla Elicità). I recenti risultati ottenuti dall'esperimento RFX-mod RFP (su cui è stato condotto il lavoro presentato nella tesi) a correnti di plasma oltre 1.5 MA, hanno però dimostrato la possibilità di raggiungere significativi miglioramenti in termini di confinamento del plasma. In particolare, la spontanea transizione del plasma verso una maggiore auto-organizzazione (nei cosiddetti stati a Quasi Singola Elicità QSH/SHAx) ha suscitato molto interesse nella comunità fusionistica. Attualmente, purtroppo, questi stati di miglior confinamento del plasma (in cui il plasma può raggiungere temperature dell'ordine dei dieci milioni di gradi) appaiono quasi esclusivamente a bassa densità. A densità più alte il plasma di RFX-mod tende a manifestare le tradizionali caratterisitiche di scarso confinamento degli stati a multipla elicità (MH). Questa fenomenologia, non ancora del tutto compresa, è stata attribuita a processi che avvengono nelle regioni esterne del plasma, quelle particolarmente coinvolte nell'interazione con la prima parete della camera che lo contiene. L'attività di ricerca della tesi è stato finalizzato a caratterizzare questa cruciale regione esterna del plasma di RFX-mod attraverso due particolari sistemi diagnostici: un riflettometro a microonde e una sonda elettrica inseribile chiamata Gundestrup. Il riflettometro a microonde è uno strumento che, sfruttando la riflessione di un'onda elettromagnetica di un dato strato di plasma, è in grado di stabilirne la distanza dall'antenna che lancia l'onda. A seconda della frequenza lanciata è possibile sondare strati di plasma con densità differenti. L'alto livello di fluttuazioni presenti sulle configurazioni RFP, fino ad ora, aveva sempre impedito di ottenere misure riflettometriche attendibili in questo tipo di macchina. La prima banda Ka di un nuovo schema diagnostico (sviluppato nel laboratorio RFX), dopo una fase di calibrazione, ha operato su RFX-mod in maniera continua dalla seconda metà del 2009. La validazione sperimentale attraverso il confronto con diversi e consolidati sistemi diagnostici ha dimostrato l'affidabilità del riflettometro a microonde anche sulla configurazione RFP. Inoltre, l'analisi della grande quantità di dati raccolti ha permesso di caratterizzare la dinamica di densità della regione di bordo. In particolare, l'alta risoluzione temporale dello strumento ha permesso di mettere in rilievo la stretta connessione tra le fluttuazioni a bassa frequenza del plasma e la presenza delle isole magnetiche prodotte dalla risonanza delle differenti instabilità MHD al bordo. Infine lo studio dell'andamento medio del plasma esterno su un grande database di scariche ha reso possibile una migliore comprensione dell'effetto della variazione dei parametri globali della scarica sull'interazione plasma-parete. La sonda Gundestrup è invece una particolare sonda elettrica inseribile nel plasma a differenti posizioni radiali. La sua speciale configurazione (composta da 10 elettrodi) le permette di valutare le differenti componenti locali del flow di plasma a partire dai dati di corrente di saturazione ionica (la corrente raccolta da un elettrodo carico esposto al plasma). Durante l'attività di ricerca è stato anche sviluppato un metodo innovativo per ricavare il flow parallelo e perpendicolare rispetto al campo magnetico al bordo a partire dai dati di potenziale flottante (il potenziale a cui si porta un elettrodo flottante inserito nel plasma). L'applicazione di questo metodo, validato sperimentalmente su RFX-mod e anche sul Tokamak ISTTOK (presso l'Associazione IST di Lisbona), ha permesso di ricostruire i profili radiali al bordo del flow di plasma. Anche in questo caso è stato possibile evidenziarne l'interazione con la presenza delle instabilità MHD. In particolare nei regimi a bassa corrente (in stati MH) l'effetto delle isole magnetiche create dalla risonanza dei modi m=0 produce un significativo aumento del flow parallelo al campo magnetico. Nelle scariche ad alta corrente (in stati QSH), invece, si sono osservate forti modulazioni nelle diverse componenti di flow in accordo con le deformazioni prodotte dal modo MHD dominante (m=1,n=7) e previste da precedenti simulazioni numeriche.