Simulating the impact of perpendicular scrape-off layer transport on momentum and power dissipation in magnetic fusion devices

Facing the problem of particle and power exhaust in magnetic fusion devices is one of the major challenges in nuclear fusion research. The achievement of a highly dissipative regime for the scrape-off layer (SOL) is required to guarantee safe operation for the plasma-facing components of future plant-sized devices, i.e. for enhancing their lifetime by preventing melting and minimizing erosion. Enhanced perpendicular transport in the SOL plasma, which may occur under reactor-relevant conditions, could represent key element for accessing a highly dissipative regime. Nevertheless, this transport could lead to further problems, such as increased erosion on the main chamber wall materials. Perpendicular transport has been experimentally studied on various currently operating devices, and an extensive database on experimental measurements related to this has been assembled. The goal of this thesis is to numerically investigate the experimental observations about perpendicular transport in the SOL plasma. The underlying idea is to undertake a "numerical experiment" motivated by an experimental dataset on a single device, to interpret the possible underlying physical mechanisms. This is done in order to explore how the various dissipative processes in the SOL depend on the nature of the perpendicular transport assumptions. The SOLPS-ITER code package was used to simulate experimental scenarios obtained in the ASDEX Upgrade tokamak. In order to obtain the most accurate fit to the experimental data a series of simulations was performed with different transport assumptions. Once the most realistic simulations were selected an extensive analysis of the results was performed. The numerical results successfully reproduced the qualitative trends of the experimental measurements. Analyzing these results allowed then to characterize thoroughly the impact of enhanced perpendicular transport on the plasma conditions in the divertor and, consequently, on the processes leading to momentum and power dissipation.

Una delle sfide più impegnative nell’ambito della ricerca sulla fusione nucleare consiste nell’affrontare il problema dello scarico di potenza da macchine a confinamento magnetico. Ottenere un regime altamente dissipativo per lo scrape-off layer (SOL) è infatti necessario affinché i componenti materiali a contatto col plasma in futuri reattori di grossa taglia possano operare in modo sicuro, ottimizzando la loro durata e minimizzando i rischi di erosione e scioglimento dei materiali. Il raggiungimento di un regime di elevato trasporto perpendicolare nello scrape-off layer, ottenibile in adeguate condizioni fisiche, potrebbe rappresentare un mezzo fondamentale per raggiungere tale regime altamente dissipativo. A ogni modo, ulteriori problemi potrebbero emergere se ciò venisse ottenuto, come ad esempio un elevato rischio di erosione sui materiali della parete interna della macchina. Per questo, la fisica del trasporto perpendicolare è stata studiata sperimentalmente su diverse macchine di ricerca attualmente in funzione, e un gran numero di misure sperimentali in tale ambito è stato effettuato. Questo lavoro di tesi rientra nell’ambito di ricerche numeriche atte a poter interpretare le osservazioni sperimentali riguardanti il trasporto perpendicolare nello scrape-off layer. L’idea di base era di effettuare un "esperimento numerico", supportato da dati sperimentali estrapolati da una singola macchina, così da poter definire e interpretare i meccanismi fisici alla base dei risultati delle simulazioni. L’obiettivo finale è stato di riuscire a caratterizzare come l’intensità dei vari processi di dissipazione nello scrape off layer dipenda dalle ipotesi fatte riguardo il trasporto perpendicolare. A tal scopo, il codice SOLPS-ITER è stato utilizzato per simulare degli scenari sperimentali ottenuti nel tokamak ASDEX Upgrade. Diverse simulazioni sono state effettuate, variando le ipotesi sul trasporto perpendicolare, in modo da ottenere la miglior corrispondenza possibile dei risultati numerici con i dati sperimentali. Una volta selezionate quali fossero le simulazioni più realistiche, si è proceduto ad effettuare un’approfondita analisi di tali risultati. La riproduzione, almeno qualitativa, delle misure sperimentali è stata portata a termine con successo. L’analisi dei risultati ha consentito di caratterizzare dettagliatamente l’impatto che un regime di elevato trasporto perpendicolare ha sul plasma nel divertore e, di conseguenza, sui processi responsabili di cadute di pressione e dissipazione di potenza.