Numerical investigation of negative triangularity boundary plasmas through the SOLPS-ITER code

Within the frame of magnetic confinement nuclear fusion research, the implementation of negative triangularity magnetic configurations in tokamaks operating in L-mode has proven to bring plasma confinement properties to H-mode grade, whilst reducing electromagnetic instabilities, and thus represents a viable candidate for the operation of future fusion nuclear reactors. However - according to preliminary experimental observations - the achievement of the detached divertor regime, which is fundamental for the safe handling of power exhaust, is harder in negative triangularity. This thesis work presents a novel numerical investigation of fusion relevant deuterium boundary plasmas, confined by means of a negative triangularity magnetic configuration, carried out through the latest version of the SOLPS-ITER edge transport code. Firstly, a sensitivity analysis in which relevant free input parameters of the code - namely anomalous transport coefficients and boundary conditions - were scanned was performed, leading to a deeper comprehension of their role. Secondly, an experimental benchmarking of the numerical model against available data collected at TCV facility was attempted, allowing the identification of those simulation parameters providing a satisfactory agreement between numerical and experimental electron density and temperature profiles at the outer midplane and outer strike point of the device. Thirdly, those very same parameters were exploited to simulate a density scan and verify whether or not the available numerical model could forecast the apparently more difficult onset of the detachment condition: the setup of spatially constant transport coefficients was found to provide a remarkable overestimation of the plasma detachment compared to the available experimental results.

Nell’ambito della ricerca sulla fusione nucleare a confinamento magnetico, l’impiego di configurazioni magnetiche a triangolarità negativa in tokamak operanti in L-mode ha dimostrato di rendere le caratteristiche di confinamento del plasma comparabili con quelle generalmente associate all’H-mode, pur riducendone le tipiche instabilità elettromagnetiche e delineandosi, pertanto, come candidato appetibile per l’esercizio di futuri reattori nucleari a fusione. Tuttavia, secondo alcune osservazioni sperimentali preliminari, la triangolarità negativa rende il raggiungimento del regime di detachment al divertore - utile allo smaltimento sicuro ed efficace della potenza termica - più difficile. Questo lavoro di tesi presenta un’inedita analisi numerica, condotta mediante l’ultima versione del codice SOLPS-ITER, relativa a plasmi di bordo di solo deuterio in triangolarità negativa. In primo luogo, si è svolta un’analisi preliminare di sensibilità, effettuando una scansione di alcuni parametri liberi di input del codice - vale a dire i coefficienti di trasporto anomalo e le condizioni al contorno -, con lo scopo di comprenderne il ruolo. In secondo luogo, si è tentato di confrontare il modello numerico con corrispondenti dati sperimentali raccolti presso TCV, fissando i parametri liberi che consentissero un accordo soddisfacente tra i profili di densità e temperatura elettronica numerici e sperimentali all’outer midplane e all’outer strike point della macchina. Infine, questi stessi parametri sono stati utilizzati per simulare una rampa di densità del plasma, verificando così se il modello a disposizione fosse o meno in grado di prevedere la maggiore difficoltà nell’accesso al regime di detachment: di fatto, l’impiego di coefficienti di trasporto costanti e uniformi ha notevolmente sovrastimato il detachment del plasma in confronto ai dati sperimentali disponibili.