Magnetic reconnection in fusion plasmas

This thesis is devoted to the experimental study of magnetic reconnection and the related phenomena taking place in the plasmas produced in the RFX-mod device, a flexible toroidal facility for the study of magnetic plasma confinement for nuclear fusion. Magnetic reconnection consists in a rearrangement of the magnetic field topology, which results in a conversion of magnetic energy into heat and kinetic energy of charged particles. It occurs everywhere in the universe, being observed in the evolution of solar flares, in the interaction of solar-wind with the Earth’s magnetosphere and in star accretion disks. Magnetic reconnection occurs also in laboratory plasmas, especially in the self-organization processes in current carrying fusion plasmas. In the latter, magnetic reconnection events are particularly evident during sawtooth activities in tokamaks and in the discrete relaxation events (DREs) in Reversed Field Pinchs (RFPs). They are also involved in island formation associated to the stearing instability. During these phenomena, a topology change of the magnetic field lines occurs, leading to new equilibrium configurations of lower magnetic energy. A complete and detailed understanding of magnetic reconnection is still missing, therefore this phenomenon represents an important topic to be studied for a better understanding of a large variety of astrophysical and laboratory phenomena. The research activity, here presented, is based on the analysis of the experimental RFX-mod data, coming mainly from the in-vessel system of electrostatic and magnetic probes. The experimental analyzes have been performed alongside theoretical modelling activities. The overall activity can be divided in two main parts: in the first one, a characterization of reconnection phenomena in fusion plasmas, with special emphasis on the RFP configuration, has been performed; the second one is dedicated to the study of the rotation of magnetic islands in tokamak circular discharges. The characterization of magnetic reconnection has been carried out by analyzing the DREs in RFP discharges. During these phenomena, a toroidally localized m = 0 magnetic perturbation develops, associated with the formation of a poloidal current sheet. The analysis, performed on the high frequency magnetic perturbation data, has shown that the current sheet is naturally subject to a fragmentation process, determining, in turn, a multiscale electric field structure, which has been suggested to be able to efficiently accelerate charged particles. Indeed, the acceleration of supra-thermal ions, mainly localized at the position where magnetic reconnection occurs, has been observed during the discrete relaxation events. Such particles have energies high enough to induce enhanced fusion reactivity, as evidenced by the time behavior of the detected neutron fluxes. These evidences show that magnetic reconnection can efficiently contribute to the plasma heating of RFP plasmas. The second main research activity has been devoted to the analysis of tearing mode dynamics in the RFX-mod plasmas in tokamak configuration. Tearing modes are resistive instabilities, developing both in tokamak and RFP plasmas. In the presence of resistivity, field lines can tear and reconnect, determining a change in the magnetic topology. The resulting magnetic configuration is characterized by the presence of magnetic islands, which, in turn, favor the radial transport of particles and the confinement reduction. Tearing modes are therefore a concern for magnetic confinement and their characterization is important in order to control them and achieve better confinement performances. The study of tokamak circular discharges has included both the analysis of experimental data and a theoretical modeling of mode rotation based on the two-fluid MHD equations. The comparison of experimental and theoretical results has shown that the rotation of magnetic islands in RFX-mod tokamak plasmas is driven mainly by the diamagnetic drift. The variation of the latter can determine the slowing down of tearing mode rotation, a phenomenon which is sometimes associated with the growth of the instability and the sudden loss of magnetic confinement (disruption). Finally, a characteristic quasi-cyclic oscillation of both amplitude and frequency of tearing mode, known as ‘limit cycle’, has been observed. This behavior has been found to be coupled to sawtooth activities occurring in the plasma core.

Questa tesi è dedicata allo studio sperimentale della riconnessione magnetica e ai fenomeni correlati che si verificano nei plasmi generati da RFX-mod, una macchina sperimentale molto flessibile per lo studio del confinamento magnetico dei plasmi per la fusione termonucleare. La riconnessione magnetica consiste in un riarrangiamento della topologia del campo magnetico, che determina una conversione di energia magnetica in calore e energia cinetica di particelle cariche. Essa si verifica ovunque nell’universo, essendo osservata nell’evoluzione dei brillamenti solari, nella interazione del vento solare con la magnetosfera della Terra e nei dischi di accrescimento delle stelle. La riconnessione magnetica avviene anche nei plasmi di laboratorio, specialmente nei processi di auto-organizzazione che si verificano nei plasma da fusione. In quest’ultimi, gli eventi di riconnessione magnetica sono particolarmente evidenti durante le attività sawtooth dei tokamak e negli eventi di rilassamento discreti (DRE) nei reversed field pinch (RFP) e sono coinvolti nella formazione di isole magnetiche associate alle instabilità ‘tearing’. Durante questi processi si verifica un cambiamento topologico delle linee del campo magnetico, che porta a nuove configurazioni di equilibrio di energia magnetica inferiore. Una comprensione completa e dettagliata della riconnessione magnetica è ancora mancante. Tale fenomeno rappresenta un importante argomento da studiare per una migliore comprensione di una grande varietà di fenomeni astrofisici e di laboratorio. Il lavoro di analisi presentato in questa tesi è principalmente basato sull’analisi dei dati sperimentali di RFX-mod, provenienti da sistemi di sonde elettrostatiche e magnetiche, posizionate all’interno della camera da vuoto. Le analisi sperimentali sono state affiancate anche da attività di modellizazione teorica. L’attività complessiva può essere divisa in due parti principali: nella prima è stata svolta una caratterizzazione dei fenomeni di riconnessione nei plasmi in configurazione RFP; la seconda è dedicata allo studio della rotazione delle isole magnetiche in scariche tokamak circolari. La caratterizzazione della riconnessione magnetica è stata effettuata analizzando i DRE in scariche RFP. Durante questi fenomeni, la perturbazione magnetica determina la formazione di modi toroidalmente localizzati m = 0, associati alla formazione di strutture di corrente poloidale. L’analisi ha dimostrato che queste strutture sono naturalmente soggette a frammentazione, la quale determina a sua volta una struttura di campo elettrico multi-scala che, come mostrato in letteratura, è in grado di accelerare efficacemente le particelle cariche. In effetti, è stata osservata l’accelerazione di ioni sovratermici, particolarmente evidenti nelle posizioni in cui si verifica la riconnessione magnetica, durante gli eventi discreti di rilassamento. Tali particelle hanno energia abbastanza alta da indurre una reattività da fusione, come dimostrano gli andamenti temporali dei flussi neutronici. Queste evidenze sperimentali dimostrano che la riconnessione magnetica può contribuire in modo efficace al riscaldamento del plasma nei dispositivi RFP. La seconda attività di ricerca principale è stata dedicata all’analisi della dinamica dei modi tearing nei plasmi di RFX-mod in configurazione tokamak. Tali modi tearing sono instabilità resistive, che si sviluppano sia nei plasmi tokamak che in quelli RFP. In presenza di resistività, le linee di campo possono rompersi e riconnettere, determinando un cambiamento nella topologia magnetica. La configurazione magnetica risultante è caratterizzata dalla presenza di isole magnetiche che, a loro volta, favoriscono il trasporto radiale di particelle e la riduzione del confinamento magnetico. I modi tearing costituiscono quindi un problema per il confinamento magnetico e la loro caratterizzazione è importante per poter proporre metodi di controllo al fine di migliorare le prestazioni del confinamento. Lo studio delle scariche tokamak ha incluso sia l’analisi dei dati sperimentali che una modellazione teorica della rotazione dei modi tearing basata sulle equazioni MHD a due fluidi. Il confronto dei risultati sperimentali con le previsioni del modello teorico ha mostrato che la rotazione delle isole magnetiche nei plasmi tokamak di RFX-mod è guidata principalmente dalla deriva diamagnetica. La variazione di quest’ultima può determinare, associate ad una modifica dei profili di pressione, al rallentamento della rotazione di tali modi, un fenomeno talvolta associato alla crescita delle instabilità e che può portare alla disruzione. Infine, è stata osservata una caratteristica oscillazione quasi-ciclica di ampiezza e frequenza dei modi tearing, chiamata ‘ciclo limite’. Questo comportamento è dimostrato essere accoppiato alla cosiddetta attività ‘sawtooth’ che si verifica nella regione centrale del plasma.