Investigation of the near and far SOL pressure and density fall-off lengths in L-mode diverted tokamak plasmas

The turbulent plasma dynamics in the edge and scrape-off layer regions of tokamak devices plays a crucial role in determining the particle and power flux distributions on plasma-facing components (PFCs). In particular, the main interaction between the plasma and the PFCs takes place at the divertor target, where the heat load is expected to exceed material limits in future fusion devices like ITER and DEMO. The aim of this work is to provide theoretical insight on the physical mechanisms setting the pressure and density decay lengths in the near and far SOL in L-mode diverted tokamak plasmas, writing scaling laws based on the machine main engineering parameters by using simplified analytical models for edge turbulence. The scalings are firstly validated against simulations carried out by using GBS, a 3D two-fluid, flux-driven, first-principles numerical code developed to study plasma boundary turbulence in the framework of a drift-reduced fluid model. Secondly, a comparison is carried out between the predictions of the near-SOL pressure decay length scaling law and existing experimental correlations and datasets. The obtained predictions, although derived making use of a number of simplifying assumptions, are in generally good agreement with both simulation results and experimental data.

La dinamica turbolenta dei plasmi nella regione di bordo e nello scrape-off layer di un tokamak gioca un ruolo cruciale nella determinazione dello scarico di particelle e potenza sui componenti rivolti al plasma. In particolare, la principale interazione tra questi e il plasma avviene in corrispondenza dei target del divertore, su cui il carico termico è atteso eccedere i limiti tecnologici dei materiali nei futuri reattori a fusione, come ITER e DEMO. Lo scopo di questo lavoro di tesi è fornire una comprensione teorica sui meccanismi fisici che stabiliscono le lunghezze di decadimento della densità e della pressione nelle regioni di SOL vicino e lontano in modo L, mediante la scrittura di leggi di scala basate sui principali parametri operativi del tokamak derivate da modelli semplificati per la turbolenza di bordo. Le leggi così ottenute sono in primo luogo validate su simulazioni eseguite tramite GBS, un codice numerico tridimensionale basato su un modello a due fluidi nell’approssimazione drift-reduced. In secondo luogo, la legge di scala per la lunghezza di decadimento della pressione nel SOL vicino viene confrontata con correlazioni e dati sperimentali. Le predizioni ottenute, sebbene derivate tramite una serie di ipotesi semplificative, sono in generale accordo sia con i risultati delle simulazioni, sia con i dati sperimentali.