3D physics, turbulence and transport in the plasma boundary of RFX-mod

The increasing demand for new energy production has become the constant leitmotif of the society we live in. The impossibility of meeting such request in an economically feasible and environmentally friendly manner within the existing portfolio of options is now a global self-awareness. The International Energy Agency has been thoroughly documenting through its reports during the last years that the known reserves of natural gas and oil will be exhausted in decades, due to overpopulation and increasing energy demand. Consequently, a crucial issue will soon concern supply problems. This is where the research on fusion as energy source enters the picture. In order to demonstrate the feasibility of fusion as an energy source, the international scientific community has devoted countless efforts to the research on controlled thermonuclear fusion. The main and biggest experiment under construction, ITER, is the result of the cooperation among many countries throughout the world and it will be a test bench for fusion physics and fusion engineering. Among the different magnetic configurations suitable for fusion devices, the reversed-field pinch has demonstrated to be an excellent tool for plasma physics studies, although it is not accounted as a viable device for commercial energy production. The RFX-mod experiment hosted by Consorzio RFX in Padova is the biggest RFP device in the world. The research activity that will be presented in this thesis has been developed mainly at RFX-mod in Padova but has also involved the participation to an experimental campaign on the COMPASS tokamak in Prague. The research activity that will be presented in this thesis focuses on the characterization of 3D effects on transport mechanisms at the edge region of fusion plasmas in RFX-mod. The device is highly versatile: it can be operated both in reversed-field pinch and in tokamak magnetic configuration. A detailed description of transport properties at the plasma edge in both configurations will be given in the development of the thesis. The approach that will be followed can be described in terms of a twofold itinerary shared between the investigation of electrostatic fluctuations of transport properties through insertable probes and the study of magnetic topology modifications due to spontaneous 3D processes. The thesis is organized as follows: Part I, Introduction. In the first part of the thesis, all the background information needed for the development of the work will be introduced. In chapter 1 the concept of plasma and fusion physics will be discussed together with a detailed description of the two magnetic configurations for fusion devices relevant for analyses: reversed-field pinch (RFP) and tokamak. In chapter 2 the RFP dynamics will be described in details by introducing Taylor relaxation theory and the two main topologies also experimentally observed: the Single Helicity (SH) and the Multiple Helicity (MH) states. Then, RFX-mod edge region will be specifically described and the main tools used in the analyses will be introduced. The chapter will close with the introduction of a comparison between RFP and tokamak’s edge region through the analogy of a common 3D structure when external magnetic perturbations are applied. Part II, Transport analysis. In chapter 3 the two experimental configurations in which RFX-mod operates will be presented. The insertable U-probe used in the experiments will be described together with the theory upon which the collection of measurements relies. The investigation of electrostatic fluctuations of transport properties at the edge will be discussed. Studies on transport mechanism around different topological regions in presence of an externally applied magnetic perturbation will be shown for both reversed-field pinch and tokamak configuration in the RFX-mod device. Part III, Topology analysis. The study of magnetic topology modifications develops through analyses of spontaneous magnetic reconnection events in reversed-field pinch magnetic configuration. In chapter 4 reconnection models will be briefly discussed. Then, crash events in RFX-mod will be presented and the adopted analysis technique will be thoroughly explored. In the second part of the chapter the ion energy analyzer will be described together with its application in measurements of ion temperature profile in COMPASS tokamakand in RFX-mod. Part IV, Conclusions. In chapter 5 the results of the thesis are collected and discussed. In conclusion, a section entitled Summary and future perspectives is added where the main results are tautly summarized in view of future perspectives of research. Part V, Appendixes. In Appendix A a detailed description of MagnetoHydroDynamics framework for plasma physics is given. In Appendix B transport equations will be treated in details.

Il crescente aumento nella richiesta di produzione energetica è diventato un costante leitmotif che caratterizza la società in cui viviamo. L'impossibilità di riuscire a soddisfare tali richieste sfruttando opzioni già esistenti che siano economicamente vantaggiose ed al contempo rispettino l’ambiente, è ormai una consapevolezza globalmente diffusa. La International Energy Agency ha esaustivamente documentato attraverso i suoi report annuali che le riserve di gas naturale e combustibile fossile si esauriranno nel giro di qualche decade a causa della sempre più crescente richiesta di energia. Come provvedere a soddisfare le esigenze energetiche di una popolazione mondiale in continuo aumento diventerà ben presto un problema critico. E' all'interno di questo quadro globale che entra in gioco la ricerca sulla fusione come risorsa energetica. Al fine di poter dimostrare la sfruttabilità della fusione nucleare quale risorsa energetica, la comunità scientifica internazionale ha da anni continuato ad investire nella ricerca sulla fusione termonucleare controllata. Ad oggi è nelle fasi finali di costruzione il più grande esperimento che coinvolga trasversalmente ricercatori da ogni parte del mondo. L'esperimento è denominato ITER (International Thermonuclear Experimental Reactor) e rappresenterà un banco di prova per la fisica della fusione e l’ingegneria. Tra le possibili configurazioni magnetiche adottabili sperimentalmente in una macchina da fusione, quella a campo magnetico rovesciato si è rivelata essere un eccellente strumento per studiare la fisica del plasma e le innumerevoli sfide scientifiche che essa pone. Tuttavia, per svariati motivi non è previsto l'utilizzo di tale configurazione in un reattore a fusione che produca energia a fini commerciali. L'esperimento RFX-mod ospitato presso il Consorzio RFX a Padova è il reversed-field pinch (RFP) più grande al mondo. L'attività di ricerca che verrà presentata in questo lavoro di tesi è stata svolta principalmente a Padova su RFX-mod ma ha anche previsto e contemplato la partecipazione ad una campagna sperimentale sul tokamak COMPASS a Praga. L’attività di ricerca che verrà presentata in questa tesi si concentra sulla caratterizzazione degli effetti 3D sui meccanismi di trasporto nella regione più esterna del plasma di RFX-mod. La macchina risulta essere estremamente versatile in quanto sono possibili operazioni in configurazione a campo rovesciato e in configurazione tokamak. Nello svolgimento della tesi verrà fornita una descrizione dettagliata delle proprietà di trasporto al bordo del plasma in entrambe le configurazioni magnetiche. L'approccio che verrà seguito può essere descritto in termini di un duplice percorso condiviso tra l'investigazione delle fluttuazioni elettrostatiche delle proprietà di trasporto effettuato attraverso l'utilizzo di sonde inseribili nel plasma e lo studio dei cambiamenti della topologia magnetica dovuti a meccanismi spontanei di tipo 3D. La tesi viene così organizzata: Parte I, Introduzione. Nella prima parte della tesi verranno introdotte tutte le nozioni di base utili allo svolgimento del lavoro. Nel capitolo 1 sarà discusso il concetto di plasma e fisica della fusione assieme ad una descrizione dettagliata delle due configurazioni magnetiche rilevanti ai fini delle analisi effettuate: la configurazione reversed-field pinch (RFP) e tokamak. Nel capitolo 2 la dinamica di un RFP verrà dettagliatamente descritta attraverso la teoria di Taylor. Inoltre verranno discussi gli stati a singola e multipla elicità (stati SH e MH), caratteristici della dinamica di un RFP. Successivamente verrà descritta la regione più esterna del plasma di RFX-mod, anche attraverso gli strumenti principali utilizzati nelle analisi effettuate. Il capitolo si concluderà quindi con l'introduzione di una analogia, che sarà dominante in tutto il corpo della tesi, tra la regione esterna di un plasma di tipo RFP e di uno di tipo tokamak durante esperimenti che prevedano l'applicazione di perturbazioni magnetiche. Parte II, Analisi di trasporto. Il capitolo 3 si apre con la presentazione delle due configurazioni sperimentali adottate per RFX-mod ai fini delle analisi di trasporto. Negli esperimenti è stata utilizzata la sonda inseribile U-probe, che verrà descritta successivamente assieme alla teoria su cui si basano le misure da essa raccolte. Verranno quindi discussi i risultati derivanti dall'investigazione delle fluttuazioni elettrostatiche nella regione di bordo del plasma. Verranno di seguito presentati gli studi sui meccanismi di trasporto in differenti regioni topologiche in presenza di una perturbazione magnetica esternamente applicata. Tali risultati verranno mostrati per esperimenti condotti su RFX-mod sia in configurazione reversed-field pinch che in configurazione tokamak. Parte III, Analisi topologiche. Lo studio dei cambiamenti della topologia magnetica si sviluppa attraverso l'analisi di eventi spontanei di riconnessione magnetica in configurazione a campo rovesciato. Nel capitolo 4 verranno inizialmente discussi alcuni modelli di riconnessione magnetica. Verranno quindi presentati i cosiddetti eventi di crash all'interno di RFX-mod e verrà dettagliatamente descritta la tecnica di analisi adottata. Nella seconda parte del capitolo verranno descritti gli esperimenti effettuati sul tokamak COMPASS e su RFX-mod sfruttando un'altra sonda inseribile che ha lo scopo di analizzare il profilo di temperatura ionica. Parte IV, Conclusioni. Nel capitolo 5 sono raccolti e discussi i risultati della tesi. Infine, viene fornita una sezione in cui i principali risultati sono trattati sinteticamente insieme ai problemi rimasti aperti in vista di future prospettive di ricerca. Parte V, Appendici. In Appendice A è possibile trovare una descrizione dettagliata del formalismo della Magnetoidrodinamica mentre in Appendice B vengono trattate in dettaglio le equazioni per il trasporto utili ai fini della tesi.