Experimental investigation and gyro-kinetic modelling of turbulent transport in thermonuclear plasmas

ITER (International Thermonuclear Experimental Reactor) will represent a fundamental step in the realization of controlled thermonuclear fusion. Among the problems still open, the understanding of the turbulent transport in the plasma is crucial for ITER, that will require high plasma temperature, density and confinement. This work focuses on four topics related to the thermal transport in a tokamak plasma core: the effects of light impurities, the effects of fast particles, the role of electron scale turbulence and multi-scale interactions and the effects of the plasma main ion mass (isotope effect). It covers the execution and analysis of experiments in JET tokamak L-mode plasmas, the use of local gyro-kinetic simulations (using the GENE code) to model the plasma and the test of the quasi-linear models TGLF and QuaLiKiz, used for ITER predictions. The turbulent transport in a tokamak is mainly due to instabilities on scales of the order of ion or electron Larmor radius driven by the ion and electron temperature gradients over a threshold in these gradients. Above the threshold, the turbulent flux increases with a rate that determines how stiff the temperature profiles are against an increase of heating power. Threshold and stiffness are key concepts used in this thesis to characterize the turbulent state of plasmas in different conditions. They are measured experimentally and compared to the theoretical predictions, providing a deeper insight into the plasma behavior and a stringent validation procedure for the models. Electron scale modes have been found determinant to explain the experimental electron heat flux and stiffness. A strong interaction between ion and electron scales was also found, with electron modes being strongest in conditions where ion scale modes are marginal stable, as will be the case in ITER. The TGLF model is in good agreement with the multi-scale gyro-kinetic simulations and can therefore be suitable for at least a qualitative exploration of these effects in future scenarios. Regarding the light impurities, the density profiles of 3He,Be,C,N and Ne show different peaking in the same plasmas, whilst theory predicts similar peaking for all the impurities. Discharges with N injection show higher peaking of Ti, well explained and reproduced by gyro-kinetic simulations. TGLF and QuaLiKiz show several discrepancies with the gyro-kinetic simulations. Indications have been provided on the improvements needed. A first experimental evidence of a strong thermal transport stabilization due to fast ions has been obtained in plasmas with low rotation. Gyro-kinetic simulations indicate two main stabilization mechanisms. One is electrostatic and related to a resonant wave-fast particle interaction, one is electromagnetic and sensitive to the total plasma pressure. The fast ion distribution function has also an influence on the level of the stabilization. These mechanisms are still not included in the quasilinear models. Finally, D plasmas have been compared to H plasmas with similar operational settings. Te and Ti are lower in H plasmas, the difference starting at the plasma edge. No substantial differences have been observed in the thermal transport in the plasma core at low power, but at high power, when fast ions are important, their stabilization effects appear less strong in H plasmas. An explanation has been found in the differences between the fast ion populations, with H plasmas featuring ~1/2 of the fast ion pressure in D, due to the different parameters of the heating systems. In conclusion, different aspects of thermal turbulent transport have been studied in JET L-mode plasmas. An interpretation of the experimental results has been reached with the help of gyro-kinetic simulations, and some physical effects have been evidenced to be relevant for future ITER scenarios. Some important indications on the validity and on possible improvements of the available numerical models have been obtained.

ITER (International Thermonuclear Experimental Reactor) rappresenterà un passo fondamentale per la realizzazione della fusione termonucleare controllata. Tra i problemi ancora aperti, il controllo del trasporto turbolento è cruciale per ITER, che richiederà alti valori di temperatura, densità e confinamento del plasma. Questo lavoro si focalizza su quattro aspetti riguardanti il trasporto di calore turbolento nel centro del plasma: l'effetto delle impurezze leggere, l'effetto delle particelle veloci, il ruolo delle instabilità su scala elettronica e delle interazioni multi-scala e l'effetto della massa della specie ionica principale del plasma (effetto isotopico). L'esecuzione e l'analisi di esperimenti in plasmi in L-mode nel tokamak JET è affiancata dall'uso di simulazioni giro-cinetiche con il codice GENE e da test dei modelli quasi-lineari TGLF e QuaLiKiz, usati per la predizione di plasmi di ITER. Il trasporto turbolento è principalmente dovuto a instabilità su scale dell'ordine del raggio di Larmor ionico ed elettronico causate dai gradienti della temperatura ionica ed elettronica oltre una soglia in tali gradienti. Sopra tale soglia, il flusso turbolento cresce con un tasso che determina quanto le temperature sono rigide rispetto a un incremento della potenza di riscaldamento. Soglia e livello di rigidità sono usate in questa tesi per caratterizzare lo stato turbolento del plasma in diverse condizioni. Sono misurate sperimentalmente e comparate con le predizioni numeriche per una validazione dei modelli utilizzati. Le instabilità su scala elettronica sono state trovate fondamentali per spiegare il flusso di calore elettronico sperimentale. Una forte interazione tra scale ioniche ed elettroniche è stata osservata, i modi su scala elettronica essendo più forti quando i modi su scala ionica sono vicini alla stabilità, come sarà in ITER. TGLF è in buon accordo con le simulazioni giro-cinetiche ed è adatto per predizioni qualitative di questi effetti in scenari futuri. Riguardo alle impurezze leggere, le densità di 3He,Be,C,N e Ne e hanno differenti profili radiali negli stessi plasmi, mentre le simulazioni predicono lo stesso profilo per tutte le impurezze. Plasmi in cui N è stato iniettato hanno gradienti di Ti più alti, ben riprodotti e spiegati dalle simulazioni giro-cinetiche. TGLF e QuaLiKiz hanno punti di disaccordo con le simulazioni giro-cinetiche. Indicazioni sui miglioramenti necessari sono state fornite. Una prima prova sperimentale di una forte stabilizzazione del trasporto di calore dovuta alle particelle veloci è stata ottenuta in plasmi con bassa rotazione. Le simulazioni giro-cinetiche indicano due principali meccanismi di stabilizzazione. Uno elettrostatico legato a interazioni risonanti onde-particelle veloci, uno elettromagnetico e sensibile alla pressione del plasma. Anche la funzione di distribuzione delle particelle veloci è determinante. Questi meccanismi non sono ancora stati introdotti nei modelli quasi-lineari. Infine, plasmi di deuterio sono stati comparati con plasmi di idrogeno con simili parametri. Te e Te sono più basse in plasmi di idrogeno e le differenze partono dal bordo del plasma. Nessuna differenza sostanziale è stata osservata nel trasporto di calore a bassa potenza, ma ad alta potenza, quando le particelle veloci sono importanti, il loro effetto di stabilizzazione è minore in plasmi di idrogeno. Una spiegazione è stata trovata nella diversa pressione delle particelle veloci, che in H è la metà di quella in D , a causa di diverse configurazioni dei sistemi di riscaldamento. In conclusione, differenti aspetti del trasporto di calore turbolento sono stati studiati in plasmi L-mode del JET. Un'interpretazione dei risultati sperimentali è stata ottenuta con l'aiuto di simulazioni giro-cinetiche, e alcuni effetti fisici rilevanti per ITER sono stati identificati. Indicazioni sulla validità e su possibili miglioramenti dei modelli utilizzati sono state ottenute.