A model for dynamical oscillations in magnetically confined fusion plasmas at the transition to high confinement

Thermonuclear controlled fusion, that aims to exploit the energy produced in nuclear fusion reactions, is a promising solution explored for the fulfilment of the growing world energy demand. The candidate fuel, a mixture of deuterium and tritium, must be taken to extreme conditions in the plasma state in order to maintain the reaction. With this purpose, the tokamak reactor was developed. ITER, the reference experiment currently under construction, is an exemplar of this technological solution. ITER will operate in H-mode, a mode of operation of the plasma characterized by a high capability of energy confinement, which is reached from L-mode, less suited to maintain the reaction, following a certain amount of external heating power. The H-mode, however, features cyclic instabilities not yet fully understood, the Edge Localized Modes (ELMs) that, depending on the magnitude, could imply high energy losses. Experimental studies in various tokamak allowed to characterized the L-H transition, not yet unequivocally explained, defining typical plasma oscillations, the Limit Cycle Oscillations (LCOs). Recent campaigns at ASDEX-Upgrade tokamak observed a gradual evolution of LCOs into ELMs during the L-H transition. With the purpose to extend the knowledge of these phenomena, this thesis aims to provide a dynamical model, able to reproduce the observed transition from LCOs to ELMs during the I-phase, the intermediate phase between L- and H-mode. It was therefore derived a reduced system of differential equations from fundamental physical models for the interested variables, that allows to include the typical parameters of the I-phase. A study of the nonlinear structure of the system was performed with the purpose to characterize analytically the possible solutions. In the end, a series of numerical simulations were performed, in order to define the possibility to describe the two phenomena, up to now treated separately, through the same physical mechanism and simulate the transition of LCOs into ELMs.

La fusione termonucleare controllata, che si propone di sfruttare l’energia prodotta da reazioni di fusione nucleare, è una promettente soluzione esplorata per il soddisfacimento del crescente fabbisogno energetico mondiale. Il combustibile candidato, una miscela di deuterio e trizio, deve essere portato in condizioni estreme allo stato di plasma per mantenere la reazione. A tale scopo è stato sviluppato il reattore tokamak, di cui ITER, l’esperimento di riferimento in corso di costruzione, ne è un esemplare. ITER opererà in H-mode, un modo di operazione del plasma che presenta un’elevata capacità di confinamento dell’energia, raggiunto a partire dall’L-mode, meno adatto a mantenere la reazione, a seguito di una sufficiente iniezione di potenza esterna. L’H-mode tuttavia presenta una serie di instabilità cicliche ancora non comprese completamente, le Edge Localized Modes (ELMs), che a seconda della gravità, possono comportare elevati rilasci di energia. Studi sperimentali in vari tokamak hanno permesso di caratterizzare la transizione L-H, non ancora spiegata in modo univoco, definendo delle tipiche oscillazioni del plasma, le Limit Cycle Oscillations (LCOs). Recenti campagne del tokamak ASDEX-Upgrade hanno osservato una graduale evoluzione di LCOs in ELMs nel corso del passaggio dall’ L- all’H-mode. Con lo scopo di approfondire la comprensione di questi fenomeni, questa tesi si propone di fornire un modello dinamico che permetta di riprodurre la transizione osservata da LCOs ad ELMs durante l’I-phase, la fase intermedia tra L- ed H-mode. Si è quindi derivato un sistema ridotto di equazioni differenziali da modelli fisici fondamentali del plasma per le variabili di interesse, che permettesse di includere i parametri tipici dell’I-phase. Uno studio della struttura nonlineare del sistema è stato effettuato con lo scopo di caratterizzarne analiticamente le possibili soluzioni. Si è infine proceduto con una serie di simulazioni numeriche, al fine di definire la possibilità di descrivere i due fenomeni, finora trattati separatamente, attraverso lo stesso meccanismo fisico e simulare la transizione di LCOs in ELMs.