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

Reconstruction of the electron distribution function during ECRH/ECCD and magnetic reconnection events in a tokamak plasma

Klimanov, Igor ; Fasoli, Ambrogio (Dir.)

Thèse sciences Ecole polytechnique fédérale de Lausanne EPFL : 2005 ; no 3432.

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    Summary
    The performance of tokamaks is usually described in terms of plasma temperature, density and confinement time. The term temperature implies that the plasma is in thermal equilibrium and its particles have maxwellian (normal) velocity distribution. However, in several conditions, the plasma contains a significant number of suprathermal or 'fast' particles, whose energy is several times higher than thermal energy. The number of such particles can be significantly higher than that corresponding to the maxwellian distribution. Such electrons produced by different acceleration mechanisms in the TCV tokamak have been analyzed in the course of this thesis. This thesis consists of three parts. The first part describes the design, construction and implementation of a new 24-channel Electron Cyclotron Emission (ECE) radiometer, viewing the plasma from the Low Field Side (LFS) in the frequency range 65-100 GHz. The new LFS ECE radiometer, together with the existing 24-channel ECE radiometer viewing the plasma from the High Field Side (HFS) in the frequency range 78-114 GHz are the main diagnostics used in the analysis. The second part includes the development of a numerical code to simulate the ECE signals. The code is based on the WKB approach and solves the equation of radiation transport to calculate ECE signals using a numerically defined Electron Distribution Function (EDF). A method to reconstruct EDF from HFS and LFS ECE, based on the ECE code, is presented. The third part discusses the experimental data obtained on the TCV tokamak. In regimes with Electron Cyclotron Current Drive (ECCD), a quantitative explanation of the anomalously high absorption of the RF power at 118 GHz and a validation of the power balance analysis based on Thomson scattering measurements are provided. An analysis of the EDF during sawtooth instability shows that suprathermal electrons are generated in ohmic, Electron Cyclotron Heated (ECH) and ECCD plasmas. In ECH plasmas, typical energies and densities are found to be E = 15–30 keV and nst = 2·1017 m–3. This corresponds to 30-40 % of the energy lost during the crash, which proves that acceleration of electrons is an important mechanism for the dissipation of energy released during magnetic reconnection in a tokamak plasma. The observed fast electron dynamics suggests a high radial diffusion in the plasma during and just after the sawtooth crash (Dst = 25 m2/s), which dominates over the classical slowing down process.
    Résumé
    Les performances d'un tokamak sont habituellement décrites en termes de température, densité et temps de confinement du plasma. La notion de température implique que le plasma est à l'équilibre thermique et ses particules possèdent une distribution Maxwellienne (normale) des vitesses. Cependant, sous certaines conditions, le nombre de particules dont l'énergie cinétique vaut plusieurs fois l'énergie cinétique moyenne du plasma peut largement excéder celui que l'on aurait dans le cas d'une distribution Maxwellienne des vitesses. Ces particules de haute énergie cinétique sont appelées particules rapides. Au cours de cette thèse les différents méchanismes de production et les propriétés des électrons rapides observés dans le Tokamak à Configuration Variable (TCV) de Lausanne ont été analysés. Cette thèse est constituée de trois parties. La première partie décrit la conception, la construction et l'installation d'un radiomètre à 24 canaux permettant d'analyser l'Emission Cyclotronique Electronique (ECE). Ce nouveau radiomètre observe le plasma depuis le côté bas champ magnétique, dans la gamme de fréquences 65-100 GHz. Il complète ainsi les informations fournies par le radiomètre existant, qui observe le plasma depuis le côté haut champ, dans la gamme de fréquences 78-114 GHz. Les deux radiomètres ECE sont les diagnostiques principaux utilisés pour l'analyse des populations d'électrons rapides effectuée dans cette thèse. Dans la deuxième partie, une méthode permettant de reconstruire la fonction de distribution des électrons, à partir de mesures de l'ECE effectuées depuis les côtés haut et bas champ, est exposée. La méthode est essentiellement basée sur un code numérique développé dans le cadre de cette thèse et permettant de simuler les signaux de l'ECE à partir d'une fonction de distribution définie numériquement. Le code utilise l'approximation WKB et calcule les signaux de l'ECE en résolvant l'équation du transport de rayonnement. La troisième partie discute les données expérimentales obtenues sur TCV. L'existence d'une population d'électrons rapides permet d'expliquer quantitativement l'absorption inhabituellement élevée des ondes de chauffage cyclotronique électronique à 118 GHz, observée dans les régimes exploitant la génération de courant par ondes cyclotroniques électroniques. Globalement, l'énergie des électrons rapides ne représente que 2 % de l'énergie totale du plasma. Une analyse de la fonction de distribution pendant l'instabilité de dent de scie prouve que des électrons suprathermiques peuvent être produits dans des plasmas ohmiques, ainsi qu'en présence de chauffage et de génération de courant par ondes cyclotroniques électroniques. Dans les plasmas avec chauffage par ondes, les énergies et les densités typiques de la population d'électrons rapides créés pendant l'effondrement de dent de scie sont E = 15 – 30 keV et nst = 2 · 1017 m–3, respectivement. 30-40 % de l'énergie perdue pendant l'effondrement, l'est sous forme d'électrons rapides, ce qui montre que l'accélération des électrons est un mécanisme important pour la dissipation de l'énergie libérée pendant la reconnexion magnétique dans le plasma du tokamak. La dynamique des électrons rapides observée suggère une diffusion radiale élevée dans le plasma (Dst = 25 m2/s) pendant et juste après l'effondrement des dents de scie, qui domine le processus de ralentissement classique, par collision, des électrons rapides avec le reste du plasma.