Electromagnetic turbulence in the edge of fusion plasmas: spontaneous and actively modulated features

This thesis aims to study the properties of turbulent transport, exploiting the cross-comparison between different magnetic configurations, fusion devices, and plasma regimes. Understanding and controlling cross-field transport in magnetized plasmas devices is a requirement for achieving a commercial fusion reactor. Turbulent transport plays a crucial role in both tokamak and stellarator, while shear flows can impact its growth and development. Such an effect has a beneficial impact on the overall plasma confinement, but it is detrimental for the energy exhaustion since it ultimately decreases the power deposition area on the divertors. The latter phenomenon seems to be, to a large extent, determined by the turbulent coupling between the plasma edge and the scrape-off layer (SOL), governed by travelling turbulent filaments. These structures share some features with the edge-localized mode (ELM) filaments that, in turn, typically result in a large transient heat flux on plasma-facing components. The existence of ELMs in future fusion reactors is a concern since they might reduce the device life-time, while the proper understanding of their characteristics and dynamics can help to control them. The local effective turbulence growth and spreading rate are computed in the TJ-II stellarator from the edge to the SOL with a set of electrostatic sensors. The results show that the local turbulence growth reduces once a shear layer is formed in the plasma edge induced by an external electrode biasing. Besides, the turbulence spreading rate is mainly activated in the SOL, decreasing when the E x B shearing rate becomes comparable to the inverse of the turbulence correlation time, leading to a decoupling of the edge-SOL turbulence. The role of radial electric fields in regulating turbulence propagation is further confirmed in TJ-II by spontaneous neoclassical electron-ion root transition experiments. During this process, the edge radial electric field flips sign continuously from positive to negative values. Through the measurements of two electrostatic probes remotely separated, the zonal flows become amplified during the transition, while turbulence decreases in the ion root phase. Furthermore, the turbulence propagation computed using the transfer entropy technique shows that turbulence propagates radially outward at ~1 km/s during the electron root, reducing substantially in the ion root phase. The electromagnetic properties of turbulent filaments are investigated in RFX-mod operating as tokamak in the single-null configuration. In this experiment, the edge biasing technique was applied to induce an improved plasma confinement so that a comparison between the L and H-mode regimes is possible. On this purpose, the plasma boundary was monitored with a set of electrostatic and magnetic sensors. Through advanced statistical techniques, filaments are detected and tracked from the edge to the SOL in a two-dimension floating potential map together with their associated plasma density and current density parallel to the equilibrium magnetic field. While in L-mode they travel almost freely, during H-mode their motion becomes restricted to the near SOL. The higher ExB shear in the latter regime is pointed out to be the reason for this effect. Filament dynamics in the two scenarios is discussed in the framework of analytical models and velocity scaling. During L-mode, filaments are better described by the sheath connected regime and the parallel current density and potential structure are shown to be roughly synchronized. In H-mode, however, filaments near the last closed flux surface (LCFS) scale roughly as the inertial regime. In addition, ELM filaments appear spontaneously during the biasing H-mode in RFX-mod. The properties of these structures are compared with the type I ELMs observed in the COMPASS tokamak.

Lo scopo di questa tesi è lo studio delle proprietà del trasporto turbolento nella regione di bordo di plasmi fusionistici, sfruttando il confronto incrociato tra diverse configurazioni magnetiche, diverse macchine di fusione e diversi regimi del plasma. La comprensione dei meccanismi che regolano il trasporto e il loro controllo costituiscono un tassello essenziale per il raggiungimento dell’obiettivo di un reattore a fusione commerciale. Il trasporto turbolento svolge un ruolo cruciale sia nella configurazione tokamak sia nello stellarator, d’altro canto lo sviluppo di gradienti di velocità nella regione esterna del plasma può influenzarne e controllarne l’insorgenza e la crescita. Un tal effetto ha un impatto benefico sul confinamento globale del plasma, tuttavia presenta delle controindicazioni per quanto riguarda lo smaltimento dell’energia proveniente dal plasma, in quanto questa si concentra in un’area ridotta delle piastre dei divertori. Quest'ultimo fenomeno sembra essere in larga misura determinato dall'accoppiamento turbolento tra il bordo del plasma e lo 'scrape-off layer' (SOL) (all'esterno dell’ultima superficie chiusa - LCFS acronimo in inglese), governato da filamenti turbolenti. Queste strutture condividono alcune caratteristiche con i filamenti che si manifestano durante ELM (edge-localized mode/modi localizzati nella regione di bordo) che, a loro volta, generano un grande flusso di calore transitorio sui componenti esposti al plasma. L'esistenza di ELM nei futuri reattori a fusione costituisce una notevole sfida tecnologica attualmente perché può ridurre la durata del dispositivo mentre la corretta comprensione delle sue caratteristiche e dinamiche può aiutare a controllarli. In questo lavoro di tesi la crescita della turbolenza locale e il tasso della sua dispersione radiale sono calcolati nello stellarator TJ-II dal bordo allo SOL con un sistema di sensori elettrostatici. I risultati mostrano che la crescita della turbolenza locale si riduce quando si forma un forte gradiente di velocità nel bordo del plasma indotto da un elettrodo esterno polarizzato. I risultati dimostrano che il tasso della dispersione della turbolenza agisce principalmente nel SOL, diminuendo quando gradiente di velocità E x B diventa paragonabile all'inverso del tempo di correlazione della turbolenza, portando a un disaccoppiamento della turbolenza edge-SOL. Il ruolo dei campi elettrici radiali nella regolazione della propagazione della turbolenza è ulteriormente confermato nell’esperimento TJ-II, mediante esperimenti di transizione spontanea electron-ion root. Durante questo processo, il campo elettrico radiale indotto al bordo cambia da valori positivi a negativi. Attraverso le misurazioni di due sonde elettrostatiche posizionate in due regioni lontane tra loro, si osserva che le regioni caratterizzate da velocità omogenea (zonal flows) vengono amplificati durante la transizione, mentre la turbolenza diminuisce nella fase di campo elettrico negativo (ion root). Inoltre, la propagazione della turbolenza calcolata usando la tecnica di trasferimento dell’entropia mostra che la turbolenza si propaga radialmente verso l'esterno a ~1 km/s durante la fase di campo elettrico positivo (electron root), riducendosi sostanzialmente nella fase della ion root. Altro importante argomento trattato in questo levoro di tesi riguarda le proprietà elettromagnetiche dei filamenti turbolenti. Queste strutture sono state studiate in dettaglio nell’esperimento RFX-mod operato in configurazione tokamak con un punto a X nella separatrice (single-null). Anche in questo esperimento, è stata applicata la tecnica di polarizzazione del bordo per indurre un miglioramento del confinamento del plasma in modo che sia possibile un confronto tra i regimi L e H-mode. A tal fine, il bordo del plasma è stato monitorato con una serie di sensori elettrostatici e magnetici. Utilizzando tecniche statistiche avanzate, i filamenti vengono rilevati e tracciati dal bordo verso il SOL in una mappa di potenziale flottante bidimensionale insieme alla densità del plasma e alla densità di corrente parallela al campo magnetico di equilibrio. Mentre nella modalità L-mode i filamenti viaggiano quasi liberamente, durante la modalità H-mode il loro movimento è limitato al SOL nella regione prossima all’ultima superficie chiusa (near SOL). Il gradiente di velocità ExB più elevato in quest'ultimo regime sembra essere la ragione di questo effetto. Le dinamiche del filamento nei due scenari sono discusse nell'ambito di modelli analitici e di scale di velocità e dimensione dei filamenti stessi. Durante la modalità L-mode, i filamenti sono meglio descritti dal regime che prevede i filamenti connessi allo strato di Debye nelle superfici esposte al plasma, in questo caso si è osservato che la densità di corrente parallela e la struttura potenziale viaggiano approssimativamente sincronizzati. In modo H, tuttavia, i filamenti vicino alla LCFS sono meglio descritti dal regime inerziale. I filamenti ELM compaiono spontaneamente durante la polarizzazione del modo H in RFX-mod. Parte dello studio è stato quindi dedicato alla loro caratterizzazione. Queste strutture sono state confrontate con gli ELM di tipo I osservati nel tokamak COMPASS. In entrambi i dispositivi, i filamenti ELM trasportano una sostanziale corrente verso il SOL. L'analisi statistica rivela una struttura fine complessa e ricca all'interno dei cicli ELM. I filamenti ELM sono espulsi nel SOL verso la parete in corrispondenza di una riduzione dei gradienti radiali medi e di una più intensa fluttuazione del campo magnetico perpendicolare. Infine l’esistenza di una fase di modi quasi coerenti prima del verificarsi degli eventi di ELM è stata caratteristica comune in entrambi i dispositivi.