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Theses Year : 2020

Study of tokamak plasma disruptions and runaway electrons in a metallic environment

Etude des disruptions et des environnements découplés en environnement métallique

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Abstract

Nuclear fusion is regarded as one of the most promising candidates for humankind’s future energy sources. Tokamaks are the devices currently closest to achieve reactor- relevant fusion power. The nuclear fusion power increases with the size of the tokamak and a large plasma current is required for better confinement. In tokamaks, disruptions are unfavorable events in which the plasma energy is lost in a very short timescale causing damage to the tokamak’s structures. Disruption loads increase with energy and plasma current. Thus, they are a major threat to the robust operation of future large tokamaks, including ITER. There are three consequences of disruptions: thermal loads, electromagnetic (EM) loads and runaway electrons (RE). Runaway electron beams carry the risk of in-vessel component damage. In larger machines, higher plasma current increases the runaway formation. The prevention, control and mitigation of the runaway electrons are areas that are considered as hot topics in nuclear fusion research. The current strategy for runaway electrons is to avoid their generation by a massive material injection (MMI) of deuterium or high-Z noble species (Ne, Ar, Kr, Xe). If their generation cannot be avoided, a second MMI will be used to mitigate the generated RE beam. Material can be injected via either Massive Gas Injection (MGI) or Shattered Pellet Injection (SPI, currently adopted by ITER). After the first MMI to prevent RE generation, a cold dense background plasma of MMI impurities is formed. In its presence, the second MMI aimed at mitigating the runaway electron beam may be inefficient due to poor penetration, as observed in the JET tokamak. Therefore, understanding the physics of the interaction between the runaway electron beam and the mitigation MMI in the presence of a cold background plasma is an essential study for a reliable runaway electron beam mitigation scenario. This study will be the focus of this PhD thesis. The background plasma is characterized through its electron temperature. For this, a method based on VUV spectroscopy is developed. In this method, synthetic line ratios are constructed using Photon-Emissivity Coefficient from the ADAS atomic model and the background plasma temperature profile is estimated by fitting the experimental line ratios with the synthetic line ratios. Background plasma in the JET tokamak is hotter (Te ≈6-18 eV) than on other tokamaks (DIII-D, Te ≈1-2 eV). The electron temperature of the background plasma increases with the gas amount used to trigger the disruption and electron density in the far scrape-off layer. When the background plasma is created using argon SPI, the electron temperature have no dependence on the pre-disruptive plasma temperature but is found to weakly correlate with the pre-disruption electron density. In addition, intact SPI pellets produce hotter background plasma. When argon SPI is used as a mitigation injection, it produces hotter background plasma than MGI. A 0D/1D power balance of the runaway electron beam and the background plasma is performed to confirm the temperature measurements. In the power balance, the dominant physical processes like collisional power transfer, synchrotron and bremsstrahlung radiation, electric field acceleration, line radiation of the background plasma are considered. The background plasma temperature predicted by the 0D power balance model is in good agreement with measurements from VUV spectroscopy. The collisional power transfer between the runaway electrons and the background plasma is found to be the primary power source heating the background plasma to high temperatures. The results of a 1D radial diffusion code, adapted for the JET tokamak, are presented. The model is sensitive to initial guesses of the species densities and the geometrical wall radius. The 1D diffusion model predicts higher electron temperature and density when rate coefficients from ADAS atomic model are used compared to CRETIN atomic model (used in the code by default). As compared to the temperature estimated from VUV spectroscopy, the simulated argon background plasma temperatures are much lower and they decrease when the argon amount increases. When a deuterium SPI in argon background plasma is simulated, a drop in the argon line brightness after the entry of deuterium SPI is predicted, consistent with experimental VUV measurements. However, the model predicts an increase in electron density after deuterium SPI entry, inconsistent with experimental measurements. The model predicts a drop in temperature after deuterium SPI entry but not low enough for the argon recombination conditions. On the other hand, the model predicts low electron temperature and density, supporting argon recombination in DIII-D. The over-prediction of electron density and temperature may be due to the presence of higher radiated power (one of model’s inputs) in JET (∼1-4 MW) than on DIII-D (≤100 kW). A large fraction of non-thermal radiation due to the runaway electrons is considered to explain this observation in JET compared to DIII-D.
Parmi les sources d’énergie étudiées pour subvenir aux futurs de l’humanité, la fusion nucléaire est considérée comme l’un des candidats les plus prometteurs. Actuellement les dispositifs de fusion de type tokamaks ont atteint des performances proches de celles nécessaires à réacteur industriel de fusion. Dans les tokamaks, les disruptions sont des événements majeurs dans lesquels l’énergie du plasma est perdue en un très court instant. Les plus importantes d’entre- elles, peuvent amener à l’endommagement de la structure du tokamaks comme le montre la figure 0.1. Les disruptions constituent une menace majeure pour les futurs tokamaks, y compris ITER. Trois conséquences sont liées aux disruptions: dépôts thermiques localisés, forces de électromagnétiques (EM) et électrons découplés (RE). Ces derniers, de par leur énergie (quelques 10 MeV), peuvent endommager des composants internes du tokamak. Ainsi, la prévention et le contrôle de ces électrons découplés sont d’une importance essentielle. La stratégie actuelle consiste à éviter la génération d’électrons découplés à l’aide d’une injection massive de matière (MMI) telle que deutérium ou d’espèces nobles à haut Z (Ne, Ar, Kr, Xe). Si leur génération ne peut pas être évitée, une deuxième MMI sera utilisée pour atténuer le faisceau d’électrons découplés. Le matériau peut être injecté par injection massive de gaz (MGI) ou par injection de glaçons brisés(SPI, solution actuellement adoptée par ITER). Après la première MMI utilisée pour empêcher la génération de RE, un plasma de fond dense et froid d’impuretés MMI est formé. En sa présence, le deuxième MMI visant à atténuer l’emballement du faisceau d’électrons peut être inefficace en raison d’une mauvaise pénétration dans ce plasma de fond, comme observé dans le tokamak JET. Par conséquent, comprendre la physique de l’interaction entre le faisceau d’électrons découplés et le 2nd MMI en présence du plasma de fond froid est une étude essentielle pour définir un scénario fiable d’atténuation des faisceaux d’électrons découplés. Cette étude sera au centre de cette thèse de doctorat. Le plasma de fond est caractérisé par sa température électronique. Sa mesure a demandé le développement d’une méthode basée sur , des données de spectroscopie VUV. Dans cette méthode, des rapports entre des lignes de visées synthétiques sont construits en utilisant le coefficient d’émission de photons (PEC) du modèle atomique ADAS et le profil de température du plasma de fond est estimé en définissant les rapports de lignes expérimentales avec les rapports de lignes synthétiques. Le plasma de fond dans le tokamak JET est plus chaud (Te = 6-18 eV) que sur les autres tokamaks (DIII-D, Te ≈1-2 eV ). La température électronique du plasma de fond augmente avec la quantité de gaz utilisée pour déclencher la disruption et la densité électronique à l’extérieur de la dernière surface magnétique fermée comme le montre la figure 0.4. Dans le cas où la disruption est déclenchée par une injection d’Argon, sa température électronique ne dépend pas de la température électronique du plasma avant la disruption, mais se révèle faiblement corrélée avec la densité électronique précédant la disruption. De plus, les glaçons non fragmentés produisent un plasma de fond plus chaud. Quand un SPI d’argon est utilisé pour atténuer le faisceau d’électrons découplés, un plasma de fond plus chaud est créé que si un MGI avait été utilisé. Un bilan de puissance 0D / 1D du faisceau d’électrons découplés et du plasma de fond est effectuée pour valider les mesures de température. Le bilan de puissance est dominé par les processus physiques tels que les effets collisionnels, les rayonnements synchrotron et bremsstrahlung, l’accélération par le champ électrique, le rayonnement de raie du plasma de fond comme le montre la figure 0.5. La température de fond du plasma prédite par le modèle d’équilibre de puissance 0D est en bon accord avec les mesures de la spectroscopie VUV. Le transfert d’énergie entre les électrons découplés et le plasma de fond s’avère être le source d’alimentation principale chauffant le plasma de fond à des températures élevées comme le montre la figure 0.6. Une puissance de collision plus élevée transférée par électron libre dans le plasma de fond peut être responsable d’une température d’électrons plus élevée. Les résultats d’un modèle de diffusion radiale 1D, adapté au tokamak JET, sont présentés. La diffusion 1D dépend des hypothèses initiales telles que la densité de chaque espèce et la géométrie des composants face au plasma. Le modèle de diffusion 1D prédit une température et une densité électronique plus élevées lorsque les coefficients issues du modèle atomique ADAS sont utilisés par rapport à ceux du modèle atomique CRETIN (utilisé par défaut dans le code). Par rapport à la température estimée à partir de la spectroscopie VUV, la température simulée du plasma de fond en d’argon est beaucoup plus faibles et elle montre une dépendance inverse de la diminution de la quantité d’argon. Lorsque le SPI de deutérium dans le plasma d’argon de fond est simulé, une diminutaion de la ligne d’argon, la luminosité après l’entrée du deutérium SPI est prévue, cohérente avec des mesures VUV expérimentales . Cependant, le modèle prédit une augmentation de la densité électronique après un SPI en deutérium, incompatible avec les mesures expérimentales. Le modèle prévoyait une baisse de température après l’entrée du SPI de deutérium, mais elle n’est pas suffisamment faible pour atteindre les conditions de recombinaison de l’argon. D’autre part, le modèle prédit une faible température et densité électronique, soutenant l’hypothèse de la recombinaison de l’argon dans DIII-D. La sur estimation de la densité électronique et de la température peut être due à la présence d’une puissance rayonnée plus élevée (une des entrées du modèle) dans JET (1-4 MW), que dans DIII-D (100 kW). Une grande partie du rayonnement non thermique dû taux électrons découplés explique cette observation sur JET par rapport au DIII-D. En utilisant les données PrismSPECT dans le code de diffusion 1D, le rayonnement non thermique peut être pris en compte dans le code. Cela peut nous aider à mieux simuler les conditions du plasma de fond après l’entrée D2 SPI. C’est un travail en cours de réalisation.
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tel-03671885 , version 1 (18-05-2022)

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  • HAL Id : tel-03671885 , version 1

Cite

Sundaresan Sridhar. Study of tokamak plasma disruptions and runaway electrons in a metallic environment. Plasma Physics [physics.plasm-ph]. Université d'Aix-Marseille, 2020. English. ⟨NNT : ⟩. ⟨tel-03671885⟩
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