Development and first applications of a statistical analysis toolbox for edge magnetic turbulence studies in the TCV tokamak

The path towards economically viable controlled thermonuclear fusion is very long, even after decades of cutting edge research. Fusion power might not be deployed in time to contribute to the solution of the ongoing climate change crisis. Nevertheless, a clean, almost limitless and non-intermittent energy source will be a revolutionary achievement for human civilization. Multiple reactor designs have been proposed in the past seven decades. Among these, the tokamak is the most studied one because of its superior performance. Its successful development allowed the achievement of stable operation at near-reactor conditions. This means that tokamaks have almost met all requirements for burning plasmas sustain. ITER is the next iteration of this technology. Its aim is to demonstrate the viability of tokamak reactors by achieving the physics power gain Q=10. In order to do so, it is designed to be almost an order of magnitude larger than the largest currently operating tokamak in the world, JET. ITER’s first plasma operation is planned for 2025. One of the current major issues regards transport phenomena. Neoclassical transport theory underestimates experimental parameters by one order of magnitude. This enhanced behavior is due to anomalous transport, which is turbulence driven. To deal with this discrepancy, empirical scaling laws are used to obtain new parameters from the available databases. The validity of the procedure is weakened as it is performed very far away from the available data. This is a problem for DEMO’s design, the next iteration after ITER. To improve transport models, a better understanding of turbulence is needed. The aim of this work is the development of a statistical analysis toolbox for the study of edge magnetic field turbulence inside TCV. This device is the best choice to perform this study, since its fast magnetic acquisition system was recently upgraded to handle more than 200 signals. The code is validated with real experimental data. The main results of this work are: a different scaling behavior from theoretical references, the detection of dissipation during the energy cascade, and the fact that turbulence follows fBm functions.

Nonostante più di mezzo secolo di ricerca, il traguardo della fusione termonucleare controllata ed economicamente sfruttabile è ancora lontano. L’energia da fusione nucleare, infatti, potrebbe non essere parte della soluzione all’attuale crisi climatica. Ciononostante, ottenere accesso a una fonte energetica pulita, quasi inesauribile e non intermittente sarebbe una rivoluzione per il genere umano. Molte tipologie di reattore a fusione sono state proposte nel tempo. Fra questi, il tokamak è quello più studiato, grazie alle sue migliori prestazioni. Infatti, condizioni di operatività a livello reattore sono raggiunte con questa configurazione. ITER, progetto che rappresenta la prossima iterazione di questa tecnologia, dovrà dimostrare la fattibilità di utilizzo di un tokamak come reattore, producendo il guadagno fisico Q=10. Per soddisfare questo obiettivo ITER è dieci volte la dimensione del più grande tokamak ora in funzione, JET. Il primo plasma di ITER è pianificato per il 2025. Uno dei problemi dei tokamak riguarda il trasporto nel plasma. La teoria del trasporto neoclassico sottostima di un ordine di grandezza i coefficienti di trasporto del plasma. Ciò è dovuto al cosiddetto trasporto anomalo, generato dalla turbolenza. A causa di ciò, per ottenere nuovi parametri si utilizzano delle leggi semi-empiriche. La validità dell’estrapolazione è indebolita quando è effettuata a diversi ordini di grandezza dai dati a disposizione. Questo è il caso per la progettazione di DEMO, il successore di ITER. Una conoscenza più profonda dei fenomeni turbolenti è necessaria per migliorare gli attuali modelli di trasporto. Lo scopo di questa tesi è lo sviluppo di un codice in grado di effettuare un’analisi statistica del campo magnetico di bordo in TCV. Vista la recente installazione di oltre 200 sonde magnetiche dentro tale macchina, TCV è la migliore scelta per effettuare questo tipo di analisi. Il codice è validato con dati sperimentali reali e i principali risultati ottenuti sono: osservazione di una legge di scala differente da quelle di riferimento, presenza di dissipazione durante la cascata energetica e descrizione dei segnali acquisiti come fBm.