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Studying detachment using multiple toroidal gas valves in TCV

par Vitale, Simone
Président du jury Mognetti, Bortolo Matteo
Promoteur Tlidi, Mustapha ;Theiler, Christian
Co-Promoteur Olivier, Fevrier;Raj, Harshita
Publication Non publié, 2022-08-30

Mémoire

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Résumé :

Les réacteurs à fusion thermonucléaire, tels que les tokamaks, ont le potentiel pour uneproduction durable d’énergie. Cependant, la dissipation des flux de chaleur impactant lesparois est l’un des défis actuels, notamment dans les futurs réacteurs comme le RéacteurThermonucléaire Expérimental International (ITER en anglais). Ces flux pourraient excéderles limites structurelles des composantes des parois en les endommageant. Une solutionpossible consiste à opérer dans un régime dit "détaché" pour le divergeur, qui permettraitde réduire ces flux de particules et de chaleur.Le détachement est obtenu en injectant des impuretés dans le plasma, comme l’azote, lenéon et l’argon. Toutefois, des signes clairs d’asymétrie toroïdale ont été observés expérimentalementdans les machines à fusion (Alcator-C-Mod et LHD), en raison de l’injectionlocalisée d’azote. Ce mémoire explore l’importance des asymétries toroïdales associées àl’injection localisée dans le Tokamak à Configuration Variable (TCV). Jusqu’à présent,les expériences dans le TCV ne disposaient que d’une valve d’injection et les asymétriestoroïdales ne pouvaient pas être étudiées. Récemment, le système d’injection du TCV a étéétendu en ajoutant plusieurs valves toroïdales pour étudier la présence d’asymétries. Dansle cadre du projet, un modèle théorique a été développé pour comprendre les processusqui se produisent suite à l’injection du N2. Le modèle décrit les interactions de l’azote avecle plasma et leur dépendance en la densité et la température. Le but est de déduire lesconditions expérimentales dans lesquelles on attend des asymétries, en particulier quandla première ionisation se produit près du lieu de l’injection. Le modèle aide également àexpliquer, à l’aide des données expérimentales, les raisons physiques pour l’observationd’asymétries. Les diagnostics du TCV sont analysés afin de montrer comment les résultatsdiffèrent selon la position d’injection et le flux du N2. Des signes clairs d’asymétriesont été observés dans les scénarios à bas confinement et les résultats sont comparés à lamachine tokamak Alcator-C-Mod. Différents scénarios expérimentaux sont explorés pourinvestiguer les paramètres qui déterminent la présence d’asymétrie et donner des indicationspour les futures expériences. La campagne expérimentale a également étudié lesasymétries en mode H, le mode de confinement de prédilection pour les futurs réacteurs.Cependant, aucun signe clair d’asymétrie n’a été détecté dans ce scénario.

Thermonuclear fusion reactors have the potential to harvest fusion energy for sustainableelectricity generation. However, the issue of power exhaust, due to the heat fluxes directedto the vessel walls, is one of fusion research’s most important contemporary issues.In future fusion reactors such as the International Thermonuclear Experimental Reactor(ITER), if unmitigated, these fluxes can easily exceed the material limits of the plasmafacingcomponents (PFCs) and lead to damage or reduced lifetime. A possible solutionto this issue is the operation with partially detached divertor conditions, where the peakpower flux density deposited on the PFCs is strongly reduced.Detachment can be achieved by extrinsic impurity seeding such as N2, Ne and Ar. Evidenceof toroidal asymmetry has been observed in fusion devices (Alcator-C-Mod and LHD), dueto the localised nature of the N2 injection in the vessel.This thesis explores the importance of toroidal asymmetries associated with localised impurityseeding in TCV (Tokamak à Configuration Variable). So far, N2 seeding was donein TCV using only one gas valve, and toroidal asymmetries could not be investigated.Recently, the gas injection system in TCV has been upgraded with multiple toroidallydistributed gas valves to assess the presence of asymmetries.Within the project, a theoretical model is developed to understand the processes happeningafter the N2 seeding. The simple model assesses the N2-plasma interactions and theirdependence on temperature and density. It is then possible to infer the experimental conditionswith the lowest ionisation mean free path, a scenario which is favourable to assess, ifpresent, toroidal asymmetries. Based on these considerations, dedicated experiments havebeen conducted in different experimental conditions in TCV and the effect of localisedN2 injection and the extent of resulting toroidal asymmetries have been assessed using abroad range of diagnostic techniques. A clear signature of asymmetries is observed in theLow-confinement mode (L-mode), due to the expected local ionisation of impurities. Theexperimental results are then compared with results from the tokamak machine Alcator-CMod.As a guideline for future TCV experiments on toroidal asymmetries, the hypotheseson the role of the ionisation region are applied to different experimental scenarios. A logicalextension to these experiments has been to study the asymmetries in the High-confinementmode (H-mode), as they will be applied in future thermonuclear reactors. However, noclear sign of asymmetry is found in the H-mode scenario.