Particle Transport in Tokamak Plasmas
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PARTICLE TRANSPORT IN TOKAMAK PLASMAS THÈSE NO 3252 (2005) PRÉSENTÉE À LA FACULTÉ SCIENCES DE BASE CRPP Association Euratom SECTION DE PHYSIQUE ÉCOLE POLYTECHNIQUE FÉDÉRALE DE LAUSANNE POUR L'OBTENTION DU GRADE DE DOCTEUR ÈS SCIENCES PAR Alexey ZABOLOTSKIY M.Sc. in physics, Université de Novosibirsk, Russie et de nationalité russe acceptée sur proposition du jury: Dr H. Weisen, directeur de thèse Prof. A. Bay, rapporteur Dr R. Dux, rapporteur Dr X. Garbet, rapporteur Lausanne, EPFL 2005 Version abr´eg´ee Le transport des particules dans les plasmas confin´es magn´etiquement est d’une grande importance pour le d´eveloppement de l’´energie de fusion. Il sera d´eterminant pour les techniques d’alimentation en combustible, pour le contrˆole des impuret´es et pour l’´evacuation des particules alpha produites par les r´eactions de fusion. Les questions li´ees au transport des particules ont re¸cu, jusqu’a relativement r´ecemment, moins d’attention que celles concernant le transport de la chaleur. Ajout´e a la difficult´e plus grande des mesure exp´erimentales de transport des particules, ceci peut expliquer pourquoi notre compr´ehension de ce sujet est encore lacunaire. Le but de cette th`ese est de documenter exp´erimentalement le comportement des profils de densit´e dans les tokamaks TCV (Tokamak `a Configuration Variable)etJET(Joint European Torus) et d’en tenter des interpr´etations dans le cadre de diff´erents mod`eles th´eoriques et empiriques. Le tokamak TCV est bien adapt´eaux´etudes de transport des particules grˆace `a ses possibilit´es extrˆemes de variation de forme, qui permettent d’explorer un large ´eventail de diff´erentes conditions de plasma. Cette polyvalence est renforc´ee par le syst`eme puissant et flexible de chauffage cyclotronique ´electronique (ECH) de TCV, qui permet de contrˆolerlesprofilslocauxded´epˆot de puissance et des profils de courant non inductif. Une ´etude sur le tokamak JET nous a permis de comparer les r´esultats de TCV `a ceux obtenus dans un dispositif beaucoup plus grand et de compl´eter ainsi les ´etude de TCV avec l’analyse d’un r´egime pertinent `aunr´eacteur, le mode de haut confinement (mode H). L’information exp´erimentale a ´et´e assembl´ee dans une base de donn´ees des profils de densit´een´etat d’´equilibre, qui contient pr`es de 1000 ´echantillons pour TCV et 600 ´echantillons pour JET. Les donn´ees analys´ees sont repr´esentatives d’un vaste ´eventail de conditions de d´echarge, comprenant le mode de bas confinement (mode L), le mode H, des types de chauffage diff´erents, nottamment l’ECH, l’ICH (chauffage cyclotronique ionique), la LHCD (chauffage par ondes hybrides inf´erieures), et le NBI (chauffage par injection de faisceaux des neutres ´energ´etiques), et comprennent des d´echarges dont le courant est enti`erement g´en´er´ee de maniere non inductive. Les param`etres les plus important qui influencent les profils de densit´eont´et´ed´etermin´es par r´egression statistique. Une analyse d´etaill´ee des sources de particules a prouv´e que les particules neutres qui p´en`etrent depuis le bord dans TCV et JET ne peuvent pas ˆetre responsables du gradi- ent de densit´e a l’int´erieur de plasma, confirmant la pr´esence d’un transport convectif de particules (’pincement’). L’existence d’un pincement anomal a ´et´e clairement d´emontr´ee sur JET et sur TCV par l’observation des profils piqu´es dans des d´echarges stationaires soutenues enti`erement par un courant non inductif, c.`a.d. en l’absence du pincement n´eoclassique de Ware. Une diff´erence inattendue dans les d´ependances param´etriques a ´et´e trouv´ee entre les mode L et H. En mode L, dans TCV et dans JET, les longueurs de gradient de densit´e (ou le ’piquage’ des profils) d´ependent du cisaillement magn´etique et sont ind´ependants de la collisionalit´e´electronique. L’absence de d´ependance de la colli- sionalit´e en mode L est en contradiction avec les mod`eles th´eoriques existants. Les profils de densit´eenmodeHdansJET,parcontre,d´ependent clairement de la collisionalit´e en accord avec la th´eorie et avec une observation ant´erieure dans le tokamak ASDEX- Upgrade, tout en exhibant seulement une faible, voire aucune d´ependance des profils de cisaillement et de temp´erature. En mode L, tant dans TCV que dans JET, le piquage de densit´epeutˆetre interpret´e comme ´etant dˆu a l’equipartition turbulente, qui est bas´ee sur l’hypoth`ese la conservation du moment magn´etique et l’invariant longitudinal pendant le transport. L’observation d’une r´eduction du piquage sur TCV avec ECH soutient la th´eorie de turbulence des ondes de d´erives, qui pr´evoit l’apparition d’une convection des particules dirig´ee vers l’ext´erieur, quand les modes d’´electrons pi´eg´es sont d´estabilis´es.DanslemodeHsurJET, l’observation d’une corr´elation secondaire faible du piquage et du rapport des temp´eratures ´electronique et ionique, Te/Ti,peut´egalement ˆetre consid´er´e, au moins qualitativement, comme ´etant en accord avec la th´eorie de la turbulence des ondes de d´erive. Abstract 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 den- sity profile behaviour in the TCV (Tokamaka ` Configuration Variable)andJET(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 com- pare 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 hy- brid), 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. Contents 1 Introduction 1 1.1Nuclearfusion.................................. 1 1.2Thetokamakconcept.............................. 3 1.3Particletransportintokamaks......................... 4 1.4Outlineofthethesis.............................. 6 2 TCV and JET tokamaks 9 2.1TheTCVtokamak............................... 9 2.2TCVdiagnostics................................ 11 2.2.1 Thomsonscattering........................... 13 2.2.2 TheFIRinterferometer......................... 14 2.2.3 Softx-raytomography......................... 16 2.3TheJETtokamak............................... 17 2.4ThemainJETdiagnostics........................... 19 2.4.1 JETLIDARThomsonscattering................... 19 2.4.2 JETFIRinterferometer........................ 20 2.5JETdensityprofileinversion.......................... 21 2.5.1 ElectrondensityprofilesinJET.................... 21 2.5.2 Electrondensityprofilereconstruction................ 26 2.5.3 Applications............................... 28 2.5.4