Blob motion and control in simple magnetized plasmas

Intermittent convective transport caused by coherent structures, or blobs, are universally observed in the edge of laboratory plasmas. Besides being of fundamental physics interest, the dynamics of these structures in fusion reactors influence the density scale-length in the scrape-off layer, its impurity screening characteristics, wall-recycling and possibly the overall confinement properties. In TORPEX simple magnetized plasmas, blobs are generated from interchange turbulence and, driven by gradB and curvature-induced charge separation, propagate radially outwards. The magnitude of their velocity depends on the current paths to damp charge separation. Regimes dominated by either parallel or cross-field currents are achieved by varying the ion mass. An analytical expression for the blob velocity including cross-field ion polarization currents, cross-field ion currents due to neutral friction and parallel currents to the sheath is derived and shows good quantitative agreement with the experimental data. To confirm this interpretation, direct measurements of the 2D structure of the blob-induced parallel currents have been obtained using magnetic probes. Parallel blob dynamics are further studied with a Mach probe, revealing the convection of parallel momentum by blobs. Methods to influence and control blob motion are also being explored, such as the variation of the connection length or the use of poloidal arrays of biased electrodes. This study is part of a more general project of code validation on TORPEX. Methodology and results of a comparison of 2D and global 3D fluid simulations with experiments will be presented

Understanding and suppressing the near Scrape-Off Layer heat flux feature in inboard-limited plasmas in TCV

In inboard-limited plasmas, the Scrape-Off Layer (SOL) shows two regions: the near SOL, extending a few mm from the Last Closed Flux Surface (LCFS), characterized by a steep gradient of the parallel heat flux radial profile, and a far SOL, typically some cm wide, with flatter heat flux profiles. The physics of the near SOL is investigated in TCV with two series of experiments featuring deuterium and helium plasmas, in which the plasma current, density and elongation have been varied. The parallel heat flux profiles are measured on the limiter by means of infrared thermography. For the first time, the near SOL is reported to disappear for low plasma current or at high density, for values of the SOL collisionality νlowast corresponding to a conduction-limited regime. The power in the near SOL ∆PSOL is shown to decrease with the normalized Spitzer resistivity ν as ∆PSOL ~ ν−1. The floating potential profiles, measured at the limiter using flush-mounted Langmuir probes (LP), show the presence of non-ambipolar currents, and their relation to the presence of a velocity shear layer is discussed. The shearing rate is shown to strictly correlate with the power in the near SOL ∆PSOL, consistently with a recent theoretical model. Measurements of the near SOL on the Low Field Side (LFS) are performed using a reciprocating Langmuir probe (RP). The near SOL is reported to vanish simultaneously at the LFS and at the limiter. The near and far SOL widths are compared with the predictions from existing theoretical models, to which empirical corrections with resistivity and elongation are proposed

PLASMA SHAPE AND FUELING DEPENDENCE ON THE SMALL ELMS REGIME IN TCV AND AUG

A series of experiments has been conducted at AUG and TCV to disentangle the role of fueling, plasma triangularity and closeness to a double null (DN) configuration for the onset of the small ELM regime. At AUG, the role of the SOL density has been revisited. Indeed, it turns out that a large density SOL is not a sufficient condition to achieve the type-II (small) ELM regime. This has been demonstrated with a constant gas fueled plasma close to DN which has been progressively shifted down, relaxing therefore the closeness to DN at constant. As the plasma is moved down, Type-I ELMs are progressively restored, finally being the unique ELM regime. It is observed that not only the pedestal top profiles are unchanged, but also the SOL profiles remained unaffected by transition from Type-II to Type-I ELMs. We conclude that the separatrix density is not the unique key parameter and it is hypothesized that the local magnetic shear, modified by the closeness to DN, could play an important role. A small ELM regime with good confinement has been achieved at TCV, a full carbon machine featuring an open divertor. A systematic scan in the fueling rate has been done for both medium and high triangularity shapes. For the latter case, a configuration close to a DN configuration, the stored energy and the pedestal top pressure increase by 5% and 30% respectively compared to the medium triangularity case. For both shapes, as the D2 fueling is increased, the Type-I ELM frequency decreases and small ELMs are observed in between large ones. Finally for the high triangularity, at the maximum fueling rate, the large ELMs are fully suppressed and only the small ELMs remain. As observed in JET and AUG, the pedestal pressure degrades with increasing fueling, up to 40% for the high triangularity scenario, although the stored energy remains almost unchanged. It is also observed that, for both shapes, the density at the separatrix increases with the fueling rate, reaching ne,sep/nG ~0.3 at ne,av/nG~0.75. The small ELM regime at TCV is associated with a coherent mode at about 30 kHz seen by the magnetic probes located at the outboard midplane. The outer target heat loads from IR tomography are reduced by more than a factor of 5 when transiting towards the small ELM regime

Transport de chaleur électronique dans un tokamak par simulation numérique directe d'une turbulence de petite échelle

La compréhension de l'état turbulent d'un plasma de fusion, responsable du faible temps de confinement observé, constitue un enjeu fondamental vers la production d'énergie par cette voie. Pour les machines les plus performantes, les tokamaks, les conductivités thermiques ionique et électronique mesurées sont du même ordre de grandeur. Les sources potentielles de la turbulence sont les forts gradients de température, de densité présents au cœur d'un plasma de tokamak. Si les pertes de chaleur par le canal ionique sont relativement bien comprises, l'origine du fort transport de chaleur électronique est quant à elle largement inconnue. En plus des fluctuations de vitesses électrostatiques, il existe des fluctuations de vitesses magnétiques, auxquelles des particules rapides sont particulièrement sensibles. Expérimentalement, le temps de confinement peut s'exprimer en fonction de paramètres non adimensionnels. Ces lois d'échelle sont encore trop imprécises, néanmoins de fortes dépendances en fonction du rapport de la pression cinétique à la pression magnétique, ß et du rayon de Larmor normalisé, p* sont prédites. La thèse proposée ici cherche à déterminer la pertinence d'un modèle fluide non linéaire, électromagnétique, tri-dimensionnel, basé sur une instabilité particulière pour décrire les pertes de chaleur par le canal électronique et de déterminer les dépendances du transport turbulent associé en fonction de paramètres adimensionnels, dont ß et p*. L'instabilité choisie est une instabilité d'échange générée par le gradient de température électronique (Electron Temperature Gradient (ETG) driven turbulence en anglais). Ce modèle non linéaire est construit à partir des équations de Braginskii. Le code de simulation développé est global au sens qu'un flux de chaleur entrant est imposé, laissant les gradients libres d'évoluer. A partir des simulations non linéaires, nous avons pu mettre en évidence trois caractéristiques principales pour le modèle ETG fluide : le transport de chaleur turbulente est essentiellement électrostatique ; les fluctuations de potentiel et de pression forment des structures radialement allongées ; le niveau de transport observé est beaucoup plus faible que celui mesuré expérimentalement. L'étude de la dépendance du transport de chaleur en fonction du rapport de la pression cinétique à la pression magnétique a montré un faible impact de ce paramètre mettant ainsi en défaut la loi empirique d'Ohkawa. En revanche, il a été montré sans ambiguïté le rôle important du rayon de Larmor électronique normalisé dans le transport de chaleur : le temps de confinement est inversement proportionnel à ce paramètre. Enfin, la faible dépendance du transport de chaleur turbulent en fonction du cisaillement magnétique et de l'inverse du rapport d'aspect a été mise en évidence. Bien que le niveau de transport observé dans les simulations soit plus faible que celui mesuré expérimentalement, nous avons tenté une confrontation directe avec un choc de Tore Supra. Ce tokamak est particulièrement bien désigné pour étudier les pertes de chaleur électronique. En conservant la plupart des paramètres d'un choc bien référencé de Tore Supra, la simulation non linéaire obtenue donne un seuil en gradient de température proche de la valeur expérimentale. Le niveau de transport observé est plus faible d'un facteur cinquante environ que le transport mesuré. Un paramètre important qui n'a pu être conservé est le rayon de Larmor normalisé. La limitation en p* devra être franchie afin de confirmer ces résultats. Enfin une rigoureuse confrontation avec des simulations girocinétiques permettra de disqualifier ou non l'instabilité ETG pour rendre compte des pertes de chaleur observées.AIX-MARSEILLE1-BU Sci.St Charles (130552104) / SudocSudocFranceF