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Plasma Rotation Study in Tore Supra Radio Frequency Heated Plasmas
 
Mardi 16/12/2014, 10h00-15h00
Amphi du Château de Cadarache, CEA Cadarache

Avis de Soutenance 


Billal CHOULI 

Soutiendra publiquement ses travaux de thèse intitulés

Plasma Rotation Study in Tore Supra Radio Frequency Heated Plasmas

Soutenance prévue le mardi 16 décembre 2014 à 10h00


 Amphithéâtre du Château de Cadarache

 

Dr. John Rice                                     MIT, Senior research scientist         Referee

Dr. Basil Duval                                   EPFL, Senior research scientist        Referee

Dr. Lars-Goran Eriksson                     European Commission                    Examiner

Dr. Christopher Klepper                     ORNL, Senior research scientist        Examiner

Dr. Yann Camenen                             PIIM, Research scientist                  Examiner

Dr. Yanick Sarazin                             CEA, Research director                    Thesis-Director

Dr. Christel Fenzi                               CEA, Research scientist                   CEA-Supervisor

Dr. Xavier Garbet                               CEA, Research director                   Invited member

 

 

 

Plasma Rotation Study in Tore Supra Radio Frequency Heated Plasmas.

 

 

Toroidal flows are found to improve the performance of the magnetic confinement devices with increase of the plasma stability and confinement. In ITER or future reactors, the torque from NBI should be less important than in present-day tokamaks. Consequently, it is of interest to study other intrinsic mechanisms that can give rise to plasma rotation, in order to predict the rotation profile in experiments. Intriguing observations of plasmas rotation have been made in radio frequency (RF) heated plasmas with little or no external momentum injection. Toroidal rotation in both the direction of the plasma current (co-current) and in the opposite direction (counter-current) has been observed depending on the heating schemes and plasma performance. In Tore Supra, most observations in L-mode plasmas have been in the counter-current direction. However, in this thesis, we show that in lower hybrid current drive (LHCD), the core toroidal rotation increment is in co- or counter-current direction depending on the plasma current amplitude. At low plasma current the rotation change is in the co-current direction while at high plasma current, the change is in the counter-current direction. In both low and high plasma current cases, rotation increments are found to increase linearly with the injected LH power.

Several mechanisms in competition which can induce co- or counter-current rotation, in Tore Supra LHCD plasmas, are investigated and typical order of magnitude are discussed. How those effects evolve with plasma parameters and how they compete are important issues addressed in this thesis. Co-current change in rotation is induced by fast electron ripple loss mechanism while thermal ripple induced neoclassical friction and absorbed lower hybrid wave momentum from resonant electrons are expected to influence the rotation in the counter-current direction. Finally, numerical simulations of angular momentum flux show that the radial turbulent momentum transport does impact the rotation behaviour inducing change in co-current directions, with increments depending on the plasma current amplitude. The estimation of the impact of the different mechanisms shows that at high plasma current the rotation evolution in the lower hybrid phase is controlled by the neoclassical friction force due to the trapped ions in banana trajectories through the toroidal diamagnetic velocity. This force results in the counter-current increment as observed in the experimental measurement of toroidal rotation. At low plasma current the rotation is dominated by momentum turbulent transport. The Reynolds stress grows strongly compared to the high plasma current case and acts as a co-current force through its residual stress contribution. Momentum transport simulations are also performed with CRONOS code in order to assess the rotation increments induced by LHCD. The results are rather in good agreement with the experimental observations.

Other interesting observations are related to the intrinsic plasma rotation generation with ion cyclotron resonance heating (ICRH), and have in the past few years been reported to accelerate toroidally the plasma, both in the co- and counter-current directions. In particular, there was evidence that co-current acceleration occurred during hydrogen minority heating nH/nD, with fairly high concentration of minority ions and during the 3He minority heating. In lower minority concentration discharges, counter-current acceleration was observed. Different mechanisms affected by the minority concentration have been suggested, in particular the transferred fraction of the ICRH power to the plasma bulk and the level of supra-thermic ripple ion losses. In this Thesis, Tore Supra database has been revisited and the two trends with different minority concentration were recovered. The analysis of the different mechanisms shows that the counter-current increment observed at low minority concentration can be explained with the Laplace force due to the fast ion ripple losses and the neoclassical friction due to the increase of ion temperature gradient. The co-current change observed at high minority concentration is considered to be due to the turbulent momentum transport, but this effect has to be confirmed by numerical simulations of angular momentum flux.

 

 

 

Résumé:

En présence de rotation toroïdale, une amélioration de la stabilité et des performances du plasma ont été observées. Or les sources extérieures de moment angulaire seront très limitées pour les futurs tokamaks, et notamment pour ITER.  Par conséquent, il apparait capital d’investiguer les différents mécanismes de génération intrinsèque de rotation toroïdale, afin de prédire les profils de rotation dans les machines à venir. D’intrigantes observations de rotation intrinsèque sont faites dans de nombreuses  machines, pour des décharges plasma en présence de chauffage à la fréquence hybride basse et cyclotronique ionique. Les profils de vitesse observés sont dans la direction parallèle au courant plasma (co-courant) mais aussi dans la direction opposée au courant plasma (contre-courant). Ceci a suscité un effort important de la communauté scientifique pour la compréhension des mécanismes à l’origine des observations expérimentales. Néanmoins, à ce jour, l’ensemble des interprétations proposées n’offrent pas une vision claire des mécanismes en jeu. Le travail réalisé dans cette thèse, s’inscrit dans cette problématique et concerne plus précisément le tokamak Tore Supra, dont le chauffage dominant est assuré par les ondes radiofréquences. Dans les plasmas de Tore Supra, les profils de rotation observés sont généralement dans la direction contre-courant.

Durant le chauffage à la fréquence hybride basse (LH), des incréments de vitesse toroïdale dans les directions co- et contre-courant sont observés. Ces observations sont fortement corrélées avec l’amplitude du courant plasma.  A faible courant plasma, on observe un incrément de vitesse dans la direction co-courant, alors qu’à fort courant plasma, on observe un incrément de vitesse dans la direction contre-courant. De plus, l’amplitude de l’incrément augmente en fonction de l’amplitude de la puissance injectée. Une étude théorique a été réalisée, afin d’expliquer ces observations expérimentales. Dans un premier temps, toutes les forces à l’origine de la rotation du plasma en présence de chauffage LH sont identifiées (un terme lié à l’effet du ripple sur les électrons suprathermiques e.g. la force de Laplace, un terme source dû à l’injection d’ondes hybrides, un terme de friction néoclassique et un terme lié aux processus turbulents). Dans un second temps, une estimation des ordres de grandeur des différents termes est effectuée, afin d’évaluer un effet éventuellement dominant. L’impact du chauffage LH sur la rotation intrinsèque par le biais des différents termes constituant l’équation d’équilibre des moments dans la direction toroïdale peut être résumé de la manière suivante:

  • L’effet de la force de Laplace sur la rotation toroïdale du plasma est en partie compensé par le terme source car ils ont un effet du même ordre de grandeur mais dans des directions opposées.
  • La friction néoclassique par l’intermédiaire de la vitesse diamagnétique toroïdale gouverne la rotation toroïdale à fort courant plasma, et l’effet du chauffage LH sur la friction néoclassique avec une augmentation du gradient de la température ionique, est consistant avec les résultats expérimentaux avec un effet contre-courant.
  • La turbulence par l’intermédiaire du stress résiduel semble être le terme dominant à faible courant plasma et l’effet co-courant induit est consistant avec les résultats expérimentaux.

En injectant ces termes dans l’équation de transport des moments, les résultats tendent à confirmer l’approche théorique développée dans cette thèse.

 

 

 

Contact : vi214773

 

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