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Theses Year : 2022

Impact of plasma composition and aspect ratio on overall tokamak performance

Impact de la composition du plasma et du rapport d’aspect sur les performances globales du tokamak

(1) ,
1
Valeria Ostuni
  • Function : Author

Abstract

WEST is the metallic tokamak operating since December 2016. Its specificities are an aspect ratio value of 5-6 and a full tungsten coverage. Its plasmas are dominantly electron heated and torque free. In this work, we extensively analyze the database of WEST plasmas to characterize the operational domain. Then, we apply a turbulent transport model and explore its validity on WEST operational space. The parametric dependence of the confinement time with respect to the aspect ratio (A) is obtained by addingWEST data to the existing ITER database. The WEST database containsmore than 1000 entries in L mode, deuteriumonly pulses, heated by lower hybrid and ion cyclotron resonance heating. The performed studies take into account statistics calculated on plateaus of total power intersecting plasma current plateaus (quasi-steady states). When adding 1083 WEST plateaus to the existing 1312 entries, the computed regression coefficient associated to aspect ratio is close to zero, hence confirming the very weak aspect ratio dependence of ITER96-L scaling law in spite of the new aspect ratio range covered by WEST. In the WEST database it has been observed that two different confinement states coexist, the cold and the hot branches at a given Ptot /ne,vol . In the "hot branch", Te(0) is higher than 2keV and Te(0) increases with larger Ptot /ne,vol . While in the "cold branch" Te(0) remains lower than 2 keV and does not respond to larger Ptot /ne,vol . Moreover, the 25% of the detected plateaus are effected by a rapid collapse of the central electron temperature fromthe hot to the cold branch. Experimentally, during a collapse from the hot to the cold branch, an initial slow reduction of central electron temperature due to a density increase is observed, while the central tungsten profile is flat and constant in time. Then, radiative collapse occurs: the core tungsten profile peaks rapidly, at the same time, the central hard X-ray channelmeasurement decreases indicating a change in core LHCD absorption. Integrated modelling is used to explore the causality chain (RAPTOR coupled with QuaLiKiz 10D neural network, LUKE to compute the LHCD power deposition profile). To capture the dynamics of the velocity collapse, both, enhanced tungsten core peaking and reduction of central LHCD absorption are required. When central LHCD power absorption is reduced, core electron and ion temperature profiles flatten which reduces the tungsten neoclassical thermal screening and leads to the observed core tungsten accumulation. Taking into account both the increase of the tungsten density and the decrease of the LH power absorbed in the plasma center, the collapse of the central electron temperature can be reproduced.
WEST est le tokamak métallique en fonctionnement depuis décembre 2016. Ses caractéristiques sont une valeur rapport d’aspect de 5-6 et la paroi interne recouverte en tungstène. Ses plasmas sont chauffés par chauffage électronique et sans couple de rotation. Dans ce travail, nous analysons en profondeur la base de données du plasma de WEST pour caractériser le domaine opérationnel. Ensuite, nous appliquons un modèle de transport turbulent et explorons sa validité sur le domaine opérationnel de WEST. La dépendance paramétrique du temps de confinement par rapport au rapport d’aspect (A) est obtenue en ajoutant les données WEST à la base de données ITER existante. La base de données WEST contient plus de 1000 entrées en mode L, deutérium uniquement, chauffées par ondes à la fréquence hybride basse et par résonance cyclotronique ionique. Les études réalisées prennent en compte les statistiques calculées sur les plateaux de puissance totale croisant les plateaux de courant plasma (états quasi stables). En injectant 1000 plateaux WEST aux 1312 entrées existantes, le coefficient de régression calculé associé au rapport d’aspect est proche de zéro, comme précédemment trouvé pour L96 malgré la nouvelle gammede rapport d’aspect couverte parWEST. Dans la base de données WEST, on a observé que deux états de confinement différents coexistent, les branches froide et chaude, pour un Ptot /ne,vol donné. Dans la première, Te(0) est supérieur à 2keV. Alors que dans la "branche froide", Te(0) reste inférieur à 2 keV. De plus, les 25% des plateaux détectés sont dus à un collapse rapide de la température centrale des électrons de la branche chaude à la branche froide. Expérimentalement, on observe une réduction initiale lente de la température central des électrons due à une augmentation de la densité, tandis que le profil central du tungstène est plat et constant dans le temps. Ensuite, un collapse radiatif se produit : le profil du tungstène central atteint rapidement un pic, en même temps, la mesure du canal central des rayons X durs diminue, indiquant un changement dans l’absorption du des ondes hybrides (LHCD) central. La modélisation intégrée à l’aide de plusieurs codes de calcul est utilisée pour explorer la chaîne de causalité (RAPTOR couplé au réseau neuronal 10D QuaLiKiz, LUKE pour calculer le profil de dépôt de puissance LHCD). Pour reproduire la vitesse du collapse, il faut un pic de tungstène et une réduction de l’absorption centrale du LHCD. Lorsque l’absorption de puissance LHCD centrale est réduite, les profils de température des électrons et des ions au centre s’aplatissent, ce qui réduit le transport thermique néoclassique du tungstène et conduit à l’accumulation de tungstène observée dans le centre. En prenant en compte l’augmentation de la densité de tungstène et la diminution de la puissance LH injectée dans le centre du plasma, le collapse de la température des électrons peut être reproduit.
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tel-03879621 , version 1 (30-11-2022)

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  • HAL Id : tel-03879621 , version 1

Cite

Thèse de Doctorat, Valeria Ostuni. Impact of plasma composition and aspect ratio on overall tokamak performance. Nuclear Experiment [nucl-ex]. Aix-Marseille Université, France; Physique et Sciences de la Matière, 2022. English. ⟨NNT : ⟩. ⟨tel-03879621⟩

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