Effects of shape changes on stability limits in steady state hybrid plasmas. Kinetic effects contribution to MHD stability of resistive wall mode

Demonstrating the possibility of exploiting the thermonuclear fusion as a new source of energy requires to build a reactor able to operate stably in steady-state condition and to produce a significantly power gain. Extensive experimental campaigns are conducted with this purpose in the present day small scale reactors, such as DIII-D, to define in details the plasma operational condition for the near future leading experiment ITER, which lead to the characterization of the so called "plasma scenarios". The "Steady-State Hybrid", one of the most promising scenario, has been recently demonstrated in DIII-D to be suited for the ITER steady state goal but suffers for instabilities at high pressure which leads to fast loss of confinement. The first purpose of this work was therefore to extend the knowledge on this scenario performing standard analysis, i.e. equilibrium MHD reconstruction and linear pressure limits evaluations, for SS-Hybrid plasma discharges selected among the DIII-D database. The analysis focused on two plasma shapes different from discharges analysed up to this work, one in particular suited for ITER. The second purpose was to study the effects of the shape modification on stability limits with the goal of finding an optimum shape and submit an experimental proposal for the next DIII-D campaign to run a SS-Hybrid shot stably at higher plasma pressure. A slow growth rate instability called "Resistive Wall Mode", due to the finite conductivity of the wall surrounding the plasma, is one of the main concern for ITER operation. It can lead to a big loss of confinement and damaging the machine. Intrinsic stabilizing effects has been predicted when the ideal MHD model is extended to take into account drift-kinetic effects. A routine has been developed in this work to evaluate the contribution of those effects to the RWM growth rate in a perturbed fashion as an extension of the M3D-C1 code and is now in the benchmarking phase with the existing similar codes.

Sfruttare la fusione termonucleare come nuova fonte di energia richiede di costruire un reattore in grado di operare in modo stabile, in condizioni stazionarie e con alto guadagno energetico. Con questo scopo, negli odierni reattori quali DIII-D, sono state condotte molteplici campagne sperimentali per definire le condizioni operative di ITER (l'esperimento di riferimento nel prossimo futuro), e queste hanno portato alla caratterizzazione degli scenari di plasma. Recenti esperimenti in DIII-D hanno dimostrato che lo scenario "Steady-State Hybrid" è adatto per raggiungere condizioni operative stazionarie in ITER, ma soffre di perdite di confinamento dovute a instabilità a pressioni medio-alte. Il primo proposito in questo lavoro è pertanto di ampliare la conoscenza di questo scenario effettuando alcune analisi standard di scariche di plasma in DIII-D: la ricostruzione dell'equilibrio MHD e la valutazione dei limiti di stabilità in pressione, rivolgendosi a forme di plasma non ancora analizzate per questo scenario. Si è dunque studiato numericamente l'effetto di modificare la forma del plasma sui limiti di stabilità, ricercando una forma ottimale e sottomettendo una proposta per la futura campagna sperimentale in DIII-D al fine di ottenere una scarica di questo scenario a più alta pressione evitando l'insorgere di instabilità. L'instabilità chiamata "Resistive Wall Mode", dovuta alla conducibilità finita della parete che circonda il plasma nei reattori, è considerata uno dei principali problemi per il funzionamento di ITER portando, se innescata, a una rilevante perdita di confinamento e al possibile danneggiamento del macchinario. È stato dimostrato che l'estensione del modello MHD per tenere in considerazione effetti drift-kienetic può portare ad una sua stabilizzazione intrinseca. L'implementazione di un modulo per la valutare il contributo di questi effetti sul tasso di crescita degli RWM è stata affrontata in questo lavoro come estensione del codice M3D-C1 ed è ora in fase di benchmarking con i codici esistenti.