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

Measurement of edge electrostatic turbulence in the TCV tokamak plasma boundary

Horacek, Jan ; Pitts, Richard (Dir.)

Thèse sciences Ecole polytechnique fédérale de Lausanne EPFL : 2006 ; no 3524.

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    Summary
    Almost since the first density profile measurements were made in the scrape-off layer (SOL) of the early tokamaks, it has been recognized that the rate of particle transport perpendicular to magnetic surfaces exceeds that expected on the basis of classical collisional diffusion by as much as three orders of magnitude. Plasma turbulence has rightfully been claimed as the origin of such large discrepancies, much as it has for enhanced (over classical or neoclassical) transport rates observed in the confined plasma. But in the SOL, the "bursty" or "blobby" nature of the measured density fluctuations is of a much higher amplitude than that found in the core, making large-scale, convective fluid turbulence a strong candidate mechanism. This thesis will demonstrate quantitatively and unequivocally, for the first time, that such interchange motions are indeed the driver for the edge density and particle flux fluctuations observed on the Tokamak a Configuration Variable (TCV). Since the principle driver of this turbulence is a curved magnetic field, with gradient direction matching that of the local edge plasma pressure profile, together with a region of open magnetic field lines, the interchange mechanism identified here is very likely to be the very same process at the root of transport in all tokamak SOLs. In showing that the measured turbulence driven cross-field particle flux in TCV is quantitatively consistent with interchange physics, a path is opened by which the anomalous transport rates might be estimated in a predictive way for larger tokamaks, like the ITER device, which are yet to be built but for which concerns are now being raised that such transport might lead to excessive plasma-wall interactions. Using a fast reciprocating Langmuir probe, fluctuation measurements have been made in the TCV low-field-side SOL across a wide range of ohmic discharges comprising variations in plasma shape and configuration (limiter and divertor), plasma current, confinement mode (L and H), plasma density, toroidal magnetic field direction and plasma fuel species (deuterium and helium). Statistical analysis of the time series is used to demonstrate a remarkable degree of similarity across the database and to show that the radial dependence of the probability distribution functions (PDFs) of flux and density fluctuations can be well approximated by the known Gamma and Lognormal analytic PDFs, characterized in terms only of the relative fluctuation levels. In the vicinity of the SOL-main chamber interface, where particles interact with the walls, the density fluctuations exhibit clear evidence of self-similarity over two orders of magnitude in frequency and a PDF which is universal in shape. The observed constancy of the correlation between density and poloidal field fluctuations in turn implies a universal PDF for the radial particle flux which moreover is found to scale almost linearly with the local mean density. Careful comparison of one particular case inside the experimental database with the results of 2D fluid turbulence simulations of the TCV SOL using the ESEL code developed at the Risø National Laboratory, Denmark has shown a remarkable level of agreement between theory and experiment when the simulation output time series is analyzed in exactly the same way as that applied to the tokamak data. Quantitative agreement between model and experiment has been found for radial profiles of mean values, fluctuation levels, PDF shapes, timescales and power spectra of both density and turbulent driven flux throughout the main SOL and even partially inside the separatrix. Automatically, this level of agreement also implies that the code output conforms quite closely to the Gamma and Lognormal distributions. Parallel SOL flow data have also been gathered simultaneously with the turbulence measurements. An extensive database of radial Mach flow profiles has been assembled, most notably including a direct comparison of the density dependence of the flow dynamics in carefully matched discharges with forward and reversed toroidal field. These constitute the first measurements of their kind in TCV and reveal the presence of very strong flows, up to Mach numbers of ∼ 0.6. The magnitude and direction of the measured flows is found to be surprisingly well described by neoclassical return parallel flows (Pfirsch-Schlüter) compensating the poloidal ExB and diamagnetic drifts. Combining the forward and reversed field data uncovers a slight, field independent offset thought to originate from the excess transport, driven by the interchange motions, in the outboard midplane vicinity. The flow and fluctuation data have been combined to test the possible link between flow generation and turbulence first demonstrated from similar data on JET. No such correlations have been found on TCV throughout most of the SOL, supporting the finding that the neoclassical component can account for the majority of the measured parallel flow.
    Résumé
    Quasiment dès les premières mesures du profil de densité effectuées dans la couche périphérique (SOL, Scrape-Off Layer) des plasmas de tokamak, il a été constaté que, dans la direction perpendiculaire aux surfaces magnétiques, le taux de transport des particules excède largement celui prédit par la diffusion collisionelle. Que ce soit dans le SOL ou dans la région de confinement du plasma, l'origine de la différence entre le transport mesuré et le transport prédit par les théories classiques ou néoclassiques est attribuée à la turbulence du plasma. Dans le SOL, le caractère intermittent et la structure en gouttelette des fluctuations de densité sont nettement plus prononcés qu'au centre du plasma et la turbulence convective à grande échelle y est par conséquent potentiellement beaucoup plus impliquée dans le transport des particules. Pour la première fois, le travail de recherche effectué pendant cette thèse démontrera quantitativement et sans équivoque que de tels mouvements d'échanges (interchange instability) sont en effet à l'origine des fluctuations de densité et du flux de particules, observées au bord des plasmas du Tokamak à Configuration Variable (TCV). Puisque cette turbulence est principalement due à la courbure du champ magnétique, quand son gradient s'aligne avec celui du profil de pression local, en conjonction avec une région où les lignes de champs sont ouvertes, il est très vraisemblable que les mouvements d'échange identifiés soient plus généralement à l'origine du transport dans le SOL de tous les tokamaks. L'accord quantitatif, obtenu sur TCV, entre les mesures de la turbulence responsable du flux de particules perpendiculairement aux surfaces magnétiques et la physique des mouvements d'échange, ouvre la voie à la prédiction du taux de transport dans les futurs tokamaks de grande taille, tels qu'ITER. Pour ITER, dont la construction est sur le point de commencer, une des préoccupations majeure est liée au transport des particules au bord du plasma, qui pourrait conduire à une interaction excessive du plasma avec les parois du tokamak. Des mesures de fluctuations ont été réalisées dans le SOL des plasmas de TCV, à l'aide d'une sonde Langmuir rapide insérée depuis le côté bas champ. Une large gamme de plasmas ohmiques a été explorée en variant la forme du plasma ainsi que sa configuration (limitée ou divergée), le mode de confinement (L ou H), la densité et le courant du plasma, la direction du champ magnétique toroïdal, et pour finir, les éléments principaux constituant le plasma (deutérium ou hélium). L'analyse statistique des séries temporelles obtenues montre un remarquable degré de similitude à travers toute la base de données. En outre, la dépendance radiale des fonctions de distribution de probabilité (PDF) des fluctuations de densité et du flux de particules est très bien représentée par des distributions analytiques Gamma et Lognormal ne dépendant que de deux paramètres, à savoir leur valeur moyenne et leur fluctuation relative. Au voisinage du lieu d'interaction entre les particules et les parois (interface SOL-enceinte principale), les fluctuations de densité présentent un caractère extrêmement auto-similaire, sur plus de deux ordres de magnitude en fréquence, et la forme de leur PDF est identique. La corrélation observée étant constante entre les fluctuations de densité et le champ électrique poloïdal, le flux radial de particules possède lui aussi une PDF de forme constante. Par ailleurs, il a été observé que le flux radial de particules est quasiment proportionnel à la densité moyenne locale. Un cas particulier de la base de données expérimentale a été minutieusement comparé aux résultats des simulations fluides 2D effectuées pour le SOL de TCV avec le code ESEL, développé à Risø Laboratoire National au Danemark. L'accord entre les résultats expérimentaux et théoriques, tous deux analysés de façon rigoureusement identique, est remarquable. Que ce soit pour les profils radiaux et leurs valeurs moyennes, les niveaux de fluctuations, la forme des PDF ou encore les échelles de temps et la densité spectrale du flux de particules et de la densité du plasma, un bon accord quantitatif est observé entre l'expérience et le modèle, dans tout le SOL principal et même, partiellement, à l'intérieur de la séparatrice. Un tel niveau d'accord implique automatiquement que les résultats du code possèdent aussi des PDF très proches des distributions Gamma et Lognormal. Le profil radial du flux du plasma parallèle au champ magnétique a également été obtenu lors des mesures de turbulence. Une vaste base de donnée a été constituée, incluant notamment une comparaison de l'influence de la densité sur le flux du plasma pour un champ toroïdal standard et inversé. Ces mesures sont les premières de ce type sur TCV et révèlent la présence de flux très intenses d'une vitesse de Mach d'environ 0.6. L'intensité et la direction du flux mesuré sont étonnamment bien décrits par la théorie néoclassique des flux parallèles de retour (Pfirsch-Schlüter) compensant les dérives ExB poloïdales et diamagnétiques. La comparaison des données en champ standard et inversé montre toutefois l'existence d'un léger flux ne dépendant pas de la direction du champ. Ce flux est attribué à l'excès de transport provoqué par les mouvements d'échange, à proximité du plan médian du plasma, côté bas champ. Les données concernant le flux du plasma et ses fluctuations ont été analysées afin de tester si, comme à JET où les premières mesures de ce type ont été réalisées, un lien existe entre la génération de flux et la turbulence. À travers la majeure partie du SOL, aucune corrélation entre le flux et la turbulence n'a été observée pour les données de TCV, confirmant le fait que la majeure partie du flux mesuré y est due à la composante néoclassique.