Thermal profiles and improved confinement accessibility in RFX-mod and TCV

Humans do not live by bread alone. Physically we are puny creatures with limited prowess, but with unlimited dreams. In the last few decades humankind reached the Moon (1969) and built airports over the sea (1994), but 925 million people are still under- or malnourished (2010). To follow his dream to ensure every human being the same adequate quality of life, humankind needs energy. The long-term world energy scenarios (50-80 years) foresee the need for reliable, sustainable and environmental friendly sources of energy. Thermonuclear fusion is one of the main actors in the energetic basket, it offers the possibility to produce large supplies of energy at relatively low costs reducing the impact on the environment. In fact, thermonuclear fusion represents a promising chance to generate energy without the emission of carbon dioxide and the production of long living radioactive wastes. Moreover, the raw materials used as fuel in the fusion reactions, deuterium and tritium, are easily available on Earth. This chance motivates the efforts on the controlled thermonuclear fusion research. Anyway, the development of nuclear fusion as an energy source is one of the most complex scientific and technical tasks ever undertaken for non-military purposes. The nuclear fusion obtained by magnetic confinement of plasma emerged in the latest years as the most promising concept to menage the power produced by fusion reactions. The studies developed in that direction, since the fifties, yielded more and more encouraging results and important breakthroughs both in physics and technology and inspired the ITER project. This experimental reactor could give, in the next few decades, the definitive answers to many questions on the scientific and technological feasibility of a fusion reactor. One of the major concerns in magnetic confinement fusion research is the quest for the best plasma performance, which is intimately linked to two main issues: plasma confinement and boundary conditions. Both, incidentally, are connected to plasma stability. The link between confinement and boundary conditions is very strong and found many evidences. For example in the tokamak (the magnetic confinement configuration main line) the quest for a mild plasma-wall interaction a controlled recycling led to the discovery of an ameliorated operating mode with high performance. As a matter of fact, H-mode was discovered in ASDEX the first diverted device. In RFPs (an alternative magnetic confinement configuration) a spontaneous transition to an ameliorated plasma state, the QSH state, is due to a reduced chaos obtained with an accurate control of the magnetic boundary conditions. In turn, the access to the QSH state led to a favorable edge topology characterized by better boundary conditions. The onset of the QSH state induces an edge helical ripple which reduce the plasma wall interaction. My research activity, reported in this thesis work, focused on the accessibility conditions and characterization of improved confinement regimes in TCV tokamak and RFX-mod RFP devices. In RFX-mod my research activity focused on the study and the characterization of electron temperature profiles. Temperature is one of the key parameters that qualifies fusion plasma performance and, in RFX-mod plasmas, it is mainly determined by three quantities: plasma current, electron density and plasma magnetic state. Through a large statistical analysis the temperature profile variations were investigated and related to the main macroscopic and operational plasma parameters. This analysis resulted in scaling laws for central temperature, external temperature and temperature gradient. Some further analysis was dedicated to a distinctive feature: the appearance of transport and thermal barriers which result in better plasma performance. The formation of an Internal Transport Barrier (eITB) is triggered by the growth of a dominant MHD tearing mode which, in turn, leads to a reduced magnetic chaos in the plasma core. Starting from previous analysis, these eITBs were investigated and their influence of the whole temperature profile addressed. Besides the established phenomena related to eITBs, the occasional appearance of extremely high gradients in the external region of the plasma column was observed. Some general observations and a first speculation on the physical mechanism leading to their formation will be presented. The work ends up in a wide and general picture which tries to clear up the physics governing the temperature profile modifications and proposes possible operations to trigger them. Present day tokamaks high performance scenarios rely on the possibility to access the high confinement mode (H-mode). Transition from the standard confinement mode (L-mode) to the H-mode is typically achieved when the external input power exceeds a threshold. This power threshold is found to strongly depend on plasma density, toroidal magnetic field and plasma size, but many experiments have shown this power threshold to also depend on plasma shape and configuration geometry. My activity at TCV aimed at the study of such dependence, in particular the influence of X-point location on H-mode power threshold was investigated. During a two months stay in 2011, a series of experiments was dedicated to such a study. Significant variations in the power threshold due to a reduction of the X-point height has been documented, in agreement with the scaling observed in other machines. Moreover, the well-established non-monotonic density dependence of the H-mode power threshold has been measured and recorded. In this thesis work the analysis procedure followed to the TCV experimental campaign is reported.

L’ uomo non vive di solo pane. Fisicamente siamo creature minute con possibilitá ridotte, ma i nostri sogni non conoscono confini. Negli ultimi decenni l’umanitá è sbarcata sulla Luna (1969) e ha costruito aeroporti sul mare (1994), ma 925 milioni di persone sono soffrono ancora la fame (2010). Per inseguire il sogno di assicurare ad ogni essere umano una qualitá di vita decorosa, l’umanitá ha bisogno di energia. Le prospettive energetiche a lungo termine (50-80 anni) prevedono la necessitá di sorgenti di energia affidabili, sostenibili ed eco-compatibili. La fusione termonucleare è una delle possibilitá piú promettenti all’interno del paniere energetico, infatti offre la possibilitá di produrre energia in grandi quantitá a costi relativamente bassi e con un ridotto impatto ambientale. La fusione termonucleare potrebbe diventare una fonte energetica senza emissioni di anidride carbonica e con una minima produzione di scorie radioattive a lunga vita media. Inoltre, le materie prime utilizzate come combustibile nelle reazioni di fusione, deuterio e trizio, sono ampiamente disponibili sulla Terra. Ecco i validi motivi per gli sforzi dedicati allo studio della fusione termonucleare controllata. Ma, lo sviluppo della fusione nucleare come fonte di energia è una delle sfide piú complesse dal punto di vista tecnico-scientifico mai intraprese per scopi non militari. La fusione nucleare a confinamento magnetico del plasma é emersa negli ultimi anni come l’idea piú promettente per gestire l’energia prodotta da questa fonte di energia. Gli studi sviluppati in questa direzione, dagli anni Cinquanta, hanno dato risultati sempre piú incoraggianti, hanno portato ad importanti innovazioni sia nel campo della fisica che della tecnologia e hanno ispirato il progetto ITER. Questo reattore sperimentale potrebbe dare, nei prossimi decenni, le risposte definitive a molte domande sulla fattibilitá scientifica e tecnologica di un reattore a fusione. Uno dei principali interessi nel campo della ricerca sulla fusione a confinamento magnetico è la ricerca delle migliori prestazioni di plasma. Queste sono intimamente legate a due aspetti: confinamento del plasma e le condizioni alla parete. Entrambi, per inciso, sono collegati alla stabilitá del plasma. Il legame tra il confinamento e le condizioni alla parete è stretto e ben documentato. Ad esempio nel tokamak (la principale configurazione a confinamento magnetico) la ricerca di una ridotta interazione plasma-parete e di un riciclaggio controllato ha portato alla scoperta di una modalitá di funzionamento migliorata caratterizzata da alte prestazioni. Infatti, il modo H è stato scoperto ad ASDEX la prima macchina con divertore. Nei RFP (una configurazione alternativa) una transizione spontanea verso uno stato di plasma migliorat, lo stato QSH, legata ad un ridotto caos è stata ottenuta ottenuta con un accurato controllo delle condizioni magnetiche a bordo plasma. A sua volta, l’accesso alla QSH ha portato ad una topologia magnetica favorevole caratterizzata da una migliore condizione a bordo plasma. L’insorgere della QSH induce un ripple elicoidale al bordo che riduce l’interazione plasma-parete. La mia attivitá di ricerca, riportata in questo lavoro di tesi, si è concentrata sulle condizioni di accessibilitá e la caratterizzazione dei regimi di confinamento migliorato nei due sperimenti TCV (di tipo tokamak) ed RFX-mod (di tipo RFP). In RFX-mod la mia attivitá si è concentrata sullo studio e la caratterizzazione del profilo di temperatura elettronica. La temperatura è uno dei parametri fondamentali per qualificare le prestazioni dei plasmi da fusione e, in RFX-mod, è determinata principalmente da tre parametri: corrente di plasma, densitá elettronica e stato magnetico. Attraverso un’analisi statistica ad ampio spettro, le variazioni del profilo di temperatura sono state analizzate e poste in relazione con le principali grandezze macroscopiche ed i parametri operativi della macchina. L’andamento gnerale di temperatura centrale, temperatura esterna e gradiente di temperatura è stato rappresentato attraverso delle leggi di scala. Alcune ulteriori analisi sono state dedicate ad un fenomeno particolare: la comparsa di barriere di trasporto termico che determinano migliori prestazioni di plasma. La formazione di una barriera di trasporto interna (eITB) è innescata dalla crescita di un modo tearing dominante che, a sua volta, porta ad una riduzione del caos magnetico nel centro del plasma. Basandosi su lavori precedenti, le eITB sono state analizzate e la loro influenza sull’intero profilo di temperatura è stata valutata. Oltre ai consolidati fenomeni legati alle eITB, è stata osservata l’occasionale comparsa di gradienti molto elevati nella regione esterna della colonna di plasma. Alcune osservazioni di carattere generale e una prima speculazione sul meccanismo fisico che porta alla loro formazione saranno presentati. Il lavoro termina con un quadro ampio e generale che cerca di valutare la fisica che disciplina le variazioni del profilo di temperatura e propone alcune tecniche operative per il loro controllo. Negli odierni tokamak gli scenari ad alte prestazioni si basano sulla possibilitá di accedere ad uno stato ad alto confinamento (modo H). La transizione dallo stato di confinamento standard (modo L) al modo H si ottiene tipicamente quando la potenza esterna iniettata nel plasma supera una soglia. Questa soglia di potenza dipende fortemente dalla densitá del plasma, dal campo magnetico toroidale e dalle dimensioni del plasma, ma in molte macchine si è dimostrato come questa soglia dipenda anche dalla forma del plasma e dalla geometria della configurazione. La mia attivitá a TCV è stata dedicata allo studio di queste dipendenze, in particolare nell’analisi dell’influenza della posizione del punto a X. In due mesi di permanenza a Losanna nel 2011, ho partecipato ad una serie di esperimenti dedicati a tale argomento. Si sono documentate variazioni significative della soglia di potenza riducendo l’altezza del punto a X, in accordo con quanto giá osservato in altre macchine. Inoltre, la dipendenza non monotona di tale soglia dalla densità stata misurata e verificata. In questo lavoro di tesi si sono discussi le procedure di analisi seguite alla campagna spetimentale di TCV ed i conseguenti risultati.