Faculté des sciences de base SB, Section de physique, Centre de recherches en physique des plasmas CRPP (CRPP Association Euratom CRPP-AE)

Particle transport in tokamak plasmas

Zabolotskiy, Alexey ; Weisen, Henri (Dir.)

Thèse sciences Ecole polytechnique fédérale de Lausanne EPFL : 2005 ; no 3252.

Ajouter à la liste personnelle
    Summary
    The transport of particles in magnetically confined plasmas is of great importance for the development of fusion energy. It will determine techniques for fuelling, for controlling impurity concentrations and for the removal of the alpha particles produced by fusion reactions. The issues related to particle transport have received, until relatively recently, less attention than those regarding heat transport. Besides the greater experimental difficulty of measuring particle transport, this may explain why our understanding of this subject is still incomplete. The aim of this thesis is to document and tentatively interpret the experimental density profile behaviour in the TCV (Tokamak à Configuration Variable) and JET (Joint European Torus) tokamaks in the framework of different theoretical and semi-empirical models. The TCV tokamak is well suited to transport studies due to its extreme shaping capability, which allows the exploration of a wide range of different plasma conditions. This versatility is matched by the powerful and flexible electron cyclotron heating (ECH) system on TCV, which allows a control of the local power deposition profiles and current drive profiles. A study of particle transport on the JET tokamak has allowed us to compare the results of TCV to those of a much larger device and supplement the TCV study with the analysis in reactor relevant high confinement regime (H-mode). The experimental information was compiled into a database of density profiles in steady state, containing nearly 1000 samples for TCV and 600 samples for JET. The data analyzed covered a wide range of discharge conditions, including low confinement regime (L-mode) and H-mode discharges, ECH, ICH (ion cyclotron heating), LHCD (low hybrid), beam heated plasmas and include fully current drive discharges. The most relevant parameters which influence the density profiles were determined by regression. A detailed analysis of the particle sources showed that edge fuelling in TCV and JET cannot be responsible for density gradient in the plasma bulk, confirming the presence of particle convection or a 'pinch'. The existence of an anomalous pinch was unambiguously demonstrated both on JET and on TCV by the observation of peaked density profiles in stationary, fully relaxed, fully current driven discharges and hence in the absence of the neoclassical Ware pinch. An unexpected difference in the parameter dependencies was found in L-and H-modes. In TCV and JET, density gradient lengths (or profile peaking parameters) in L-mode were found to depend on magnetic shear with no dependence on collisionality. This lack of collisionality dependence in L- mode is inconsistent with current theoretical models. H-mode density profiles in JET, on the other hand, are clearly dependent on collisionality in agreement with theory and a prior observation on ASDEX-Upgrade, while exhibiting only a weak or no dependence on shear and temperature profiles. It was found that for TCV and JET, L mode density peaking can be interpreted as being due to turbulent equipartition, which assumes conservation of the magnetic moment and the longitudinal invariant during transport. The observation of a reduction of peaking in TCV with ECH supports drift wave turbulence theory, which predicts the appearance of outward particle convection, when trapped electron modes are destabilized. In JET H-mode, the weak secondary correlation of peaking with the electron-ion temperature ratio Te/Ti, may also be considered, at least quantitatively, as being supportive of drift wave turbulence theory.
    Résumé
    Le transport des particules dans les plasmas confinés magnétiquement est d'une grande importance pour le développement de l'énergie de fusion. Il sera déterminant pour les techniques d'alimentation en combustible, pour le contrôle des impuretés et pour l'évacuation des particules alpha produites par les réactions de fusion. Les questions liées au transport des particules ont reçu, jusqu'a relativement récemment, moins d'attention que celles concernant le transport de la chaleur. Ajouté a la difficulté plus grande des mesure expérimentales de transport des particules, ceci peut expliquer pourquoi notre compréhension de ce sujet est encore lacunaire. Le but de cette thèse est de documenter expérimentalement le comportement des profils de densité dans les tokamaks TCV (Tokamak à Configuration Variable) et JET (Joint European Torus) et d'en tenter des interprétations dans le cadre de différents modèles théoriques et empiriques. Le tokamak TCV est bien adapté aux études de transport des particules grâce à ses possibilités extrêmes de variation de forme, qui permettent d'explorer un large éventail de différentes conditions de plasma. Cette polyvalence est renforcée par le système puissant et flexible de chauffage cyclotronique électronique (ECH) de TCV, qui permet de contrôler les profils locaux de dépôt de puissance et des profils de courant non inductif. Une étude sur le tokamak JET nous a permis de comparer les résultats de TCV à ceux obtenus dans un dispositif beaucoup plus grand et de compléter ainsi les étude de TCV avec l'analyse d'un régime pertinent à un réacteur, le mode de haut confinement (mode H). L'information expérimentale a été assemblée dans une base de données des profils de densité en état d'équilibre, qui contient près de 1000 échantillons pour TCV et 600 échantillons pour JET. Les données analysées sont représentatives d'un vaste éventail de conditions de décharge, comprenant le mode de bas confinement (mode L), le mode H, des types de chauffage différents, nottamment l'ECH, l'ICH (chauffage cyclotronique ionique), la LHCD (chauffage par ondes hybrides inférieures), et le NBI (chauffage par injection de faisceaux des neutres énergétiques), et comprennent des décharges dont le courant est entièrement générée de maniere non inductive. Les paramètres les plus important qui influencent les profils de densité ont été déterminés par régression statistique. Une analyse détaillée des sources de particules a prouvé que les particules neutres qui pénètrent depuis le bord dans TCV et JET ne peuvent pas être responsables du gradient de densité a l'intérieur de plasma, confirmant la présence d'un transport convectif de particules ('pincement'). L'existence d'un pincement anomal a été clairement démontrée sur JET et sur TCV par l'observation des profils piqués dans des décharges stationaires soutenues entièrement par un courant non inductif, c.à.d. en l'absence du pincement néoclassique de Ware. Une différence inattendue dans les dépendances paramétriques a été trouvée entre les mode L et H. En mode L, dans TCV et dans JET, les longueurs de gradient de densité (ou le 'piquage' des profils) dépendent du cisaillement magnétique et sont indépendants de la collisionalité électronique. L'absence de dépendance de la collisionalit é en mode L est en contradiction avec les modèles théoriques existants. Les profils de densité en mode H dans JET, par contre, dépendent clairement de la collisionalité en accord avec la théorie et avec une observation antérieure dans le tokamak ASDEX-Upgrade, tout en exhibant seulement une faible, voire aucune dépendance des profils de cisaillement et de température. En mode L, tant dans TCV que dans JET, le piquage de densité peut être interpreté comme étant dû a l'equipartition turbulente, qui est basée sur l'hypothèse la conservation du moment magnétique et l'invariant longitudinal pendant le transport. L'observation d'une réduction du piquage sur TCV avec ECH soutient la théorie de turbulence des ondes de dérives, qui prévoit l'apparition d'une convection des particules dirigée vers l'extérieur, quand les modes d'électrons piégés sont déstabilisés. Dans le mode H sur JET, l'observation d'une corrélation secondaire faible du piquage et du rapport des températures électronique et ionique, Te/Ti, peut également être considéré, au moins qualitativement, comme étant en accord avec la théorie de la turbulence des ondes de dérive.