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Spagnolo, Silvia (2012) High frequency magnetic activities in a reversed-field pinch plasma. [Ph.D. thesis]

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Abstract (english)

This thesis reports the research work performed during the three years of my Ph.D. course at the Physics Department ''Galileo Galilei'' of the Università di Padova.
Most of my research activity has been carried out at the Consorzio RFX, located inside the Consiglio Nazionale delle Ricerche (CNR) area of Padova, where operates the Reversed Field eXperiment, namely RFX-mod, the largest fusion experiment currently operating in the Reversed-Field Pinch (RFP)
The RFP, together with the Tokamak and the Stellarator, is one of the main configurations used to confine a plasma in a toroidal device by means of a combination of magnetic fields, in order to study controlled thermonuclear fusion as an energy source.

My research activity on the RFX-mod experiment is mainly focused on the study of high frequency magnetic fluctuations occurring in the plasma.
A plasma, indeed, constitutes a strongly nonlinear system, characterized by electromagnetic instabilities, waves and turbulent fluctuations which can cause losses of energy and particles.
For this reason the investigation of the mechanisms underlying these processes constitutes a key topic in fusion research.
Understanding the origin of instabilities is expected to contribute to improve energy and particle confinement in experimental devices by taming the causes or mitigating the associated losses.
Moreover, progresses in this field can also give an important contribution to the understanding of the origin and the features of instabilities in other magnetized plasmas, including astrophysical ones.

In order to help the reader to better understand the context, the first three chapters of my thesis give a brief overview of introductive information about the plasma characteristics, the RFP configuration and the experimental settings where my research activity has developed.

In particular, in Chapter 1 the concept of plasma and its dynamics are introducted and the thermonuclear fusion,
a promising method to generate energy, is presented.
In order to achieve a positive energy balance in a future fusion reactor, the plasma is confined by magnetic fields of toroidal topology and the instabilities that can develop and, in some cases, cause particle losses, must be known and controlled:
in this chapter magnetohydrodynamic (MHD) equations and some magnetic instabilities mentioned in the future chapters are presented.

In Chapter 2 a brief introduction to the Reversed-Field Pinch configuration and to the RFX-mod experiment and its typical plasma is given.
The main characteristics of the configuration, such as the reversal of the toroidal field at the edge of the plasma column and the transition to a better-confined regime, with a helical-shaped plasma, are highlighted.
A section in this chapter describes Extrap T2R, a RFP machine located in Stockholm, where part of my research has been carried out during an interesting experimental campaign.

Chapter 3 presents the systems of probes (the U-probe, the ISIS system, the Alfvén probe) used in RFX-mod and \tr plasmas to measure electrostatic and magnetic fluctuations described in the thesis.
More in detail, the main experimental observations in RFX-mod have been obtained by means of two systems of in-vessel magnetic sensors with high space and time resolution:
- the first one is an insertable edge probe called U-probe, measuring the fluctuations of the three components of the magnetic field, and able to investigate high order toroidal harmonics and frequencies up to 5 MHz;
- the second one consists of a subset of the ISIS (Integrated System of Internal Sensors) diagnostics, a complex system of arrays of sensors covering the whole toroidal and poloidal angles of the torus.
Some information about the other diagnostics mentioned in the thesis in order to to give a physical interpretation to the observations is also reported. Chapter 3 is, moreover, dedicated to the data analysis techniques used for the determination of temporal and spatial periodicities associated to the phenomena observed, which are essential for their characterization.

Several coherent magnetic activities have been observed, analyzed and, in some cases, recognized.
The most interesting results obtained during the PhD are presented in the thesis, organized so that each of the following three chapters describes fluctuations of different nature, measured in RFX-mod plasma.
In particular, in Chapter 4, a strong activity observed to arise at the plasma edge at a frequency of the order of 100 kHz is described.
Various analyses performed in order to trace the dependence relations between the characteristics of the activity and the plasma parameters have been carried out: the modes resonate at the edge of the plasma column, externally respect to the reversal surface of the toroidal magnetic field and the frequency associated with the mode has been found to be mainly due to a Doppler effect, as they rotate with the plasma.
An important contribution on the physical interpretation of the modes has been provided by a linear stability analysis performed by means of the code ETAW, solving the resistive MHD equations in cylindrical approximation.
The theoretical results have shown a good agreement with the features of the modes experimentally observed; thus, it has been possible to recognize them as belonging to the branch of the Resistive Interchange Modes, also known in astrophysics as g-modes.
This result has been exposed in a paper published by Nuclear Fusion in 2010.

Chapter 5 shows the analysis of a relevant high frequency magnetic activity detected in the poloidal component of the
magnetic fluctuation measured by means of the mentioned U-probe, at a frequency in the range 0.1 - 1.2 MHz.
Since the beginning, the alfvénic nature of the these modes was clear. In particular, their frequency has been shown to be proportional to the Alfvén velocity.
Two main different kind of modes are observed with the features of discrete Alfvén Eigenmodes:
- the first kind consists in two distinct modes, both characterized by low poloidal and toroidal periodicities, enduring all the discharge time.
The experimental observations suggest an interpretation of these modes in terms of Global Alfvén Eigenmodes.
A paper on this topic has been published by Nuclear Fusion in 2011.
- the second kind appears only when the plasma undergoes a transition to states of helical equilibrium, called Single Helical Axis states.
Further analyses are needed to understand the cause inducing this branch of Alfvén modes.
The study of Alfvén eigenmodes has gained in importance, since it has been observed that they are destabilized by energetic particles; this means that in a fusion reactor, the presence of alpha-particles can make the modes to profusely arise.
In this picture, the experimental results presented in this thesis take place as the first observation of Alfvén Eigenmodes in RFX-mod plasma.

Chapter 6 reports some experimental observations concerning a magnetic activity that seems to be associated to the presence
of strong temperature gradients. The preliminary analyses about these modes and the comparison of their characteristics with those predicted by a gyrokinetic code, named GS2, would suggest an interpretation of the activity in terms of microtearing instabilities.

During my Ph.D., I was also involved in the collaboration between RFX-mod and the \tr RFP experiments.
Chapter 7 is devoted to the description of this experience: the experimental campaign was mainly dedicated to the revamping of an insertable probe, the Alfvén probe, and the acquisition of electrostatic and magnetic measurements at different radial insertions.
A preliminary analysis of the data, included the application of Resonant and Non-Resonant Magnetic Perturbations (RMP and NRMPs), is mentioned.

Abstract (italian)

Questa tesi descrive il lavoro di ricerca che ho svolto durante i tre anni di corso di Dottorato in Fisica presso il Dipartimento di Fisica ''Galileo Galilei'' dell'Università di Padova.
La mia attività di ricerca si è sviluppata principalmente presso il Consorzio RFX, che si trova all'interno dell'area del Consiglio Nazionale delle Ricerche (CNR) di Padova, dove opera l'esperimento RFX-mod, il più grande esperimento di fusione attualmente operante in configurazione Reversed-Field Pinch (RFP).
L'RFP, insieme al Tokamak e allo Stellarator, è uno delle principali configurazioni usate per confinare in strutture toroidali un plasma per mezzo di una combinazione di campi magnetici. Essi si propongono di studiare la fusione termonucleare controllata come fonte di energia.

L'attività di ricerca svolta presso l'esperimento RFX-mod è stata principalmente focalizzata sullo studio delle fluttuazioni magnetiche ad alta frequenza che si sviluppano nel plasma.
Un plasma, infatti, costituisce un sistema fortemente non-lineare, caratterizzato da instabilità elettromagnetiche, onde e fluttuazioni della turbolenza che possono causare la perdita di energia e particelle.
Per questa ragione l'indagine dei meccanismi alla base di questi processi costituisce uno dei temi chiave nella ricerca sulla fusione.
Capire l'origine delle instabilità si pensa possa contribuire a migliorare il confinamento di energia e particelle nei dispositivi
sperimentali cercando di domare le cause scatenanti o di attenuare le perdite associate.
Inoltre, progressi in questo campo possono dare anche un importante contributo alla comprensione dell'origine e delle caratteristiche di instabilità in altri plasmi magnetizzati, inclusi quelli astrofisici.

Per aiutare il lettore a comprendere meglio il contesto in cui si sviluppa questa tesi, i primi tre capitoli fanno una breve panoramica di informazioni di base per quanto riguarda le caratteristiche del plasma, la configurazione RFP e il setting sperimentale presso cui si è sviluppata la mia attività di ricerca.

In particolare, nel Capitolo 1 vengono introdotti il concetto di plasma e la sua dinamica e la fusione termonucleare, una promettente opportunità per la produzione di energia.
Col fine di raggiungere un bilancio energetico positivo in un futuro reattore a fusione, il plasma è confinato da campi magnetici di geometria toroidale e le instabilità che possono svilupparsi e, in alcuni casi, causare la perdita di particelle, devono essere conosciute e controllate: in questo capitolo si introducono le equazioni della magnetoidrodinamica (MHD)
e alcuni tipi di instabilità magnetiche a cui si farà riferimento nei capitoli successivi.

Nel Capitolo 2 sono proposte una breve introduzione sulla configurazione Reversed-Field Pinch e sull'esperimento RFX-mod
e il suo plasma. Vengono messe in luce le caratteristiche della configurazione, come il rovesciamento del campo toroidale
nella regione di bordo del plasma e la transizione ad un regime meglio confinato, con un plasma di forma elicoidale.
Una sezione di questo capitolo è dedicata alla presentazione della macchina RFP Extrap T2R, che si trova a Stoccolma, presso cui ho partecipato ad un interessante campagna sperimentale.
Il Capitolo 3 presenta i sistemi di sonde (la U-probe, ISIS, la sonda Alfvén) utilizzati nei plasmi di RFX-mod e Extrap T2R
per investigare le fluttuazioni elettrostatiche e magnetiche descritte nella tesi.
Più in dettaglio, le principali osservazioni sperimentali in RFX-mod sono state ottenute per mezzo di due sistemi di sensori magnetici collocati internamente alla camera da vuoto, altamente risolti in spazio e tempo.
- il primo è una sonda di bordo inseribile, chiamata U-probe, che misura le fluttuazioni delle tre componenti di campo magnetico ed è in grado di investigare alti ordini di armoniche toroidali e frequenze fino ai 5 MHz;
- il secondo consiste in alcuni sensori della diagnostica ISIS (Integrated System of Internal Sensors), un complesso sistema di sonde allineate in modo da coprire interamente gli angoli toroidale e poloidale del toro.
Sono riportate anche alcune informazioni sulle altre diagnostiche usate per dare un'interpretazione fisica alle osservazioni.
Il Capitolo 3 è inoltre dedicato alle tecniche di analisi dati usate per la determinazione delle periodicità temporali e spaziali associate ai fenomeni osservati, che sono essenziali per la loro caratterizzazione.

Diverse attività magnetiche coerenti sono state osservate, analizzate e a volte riconusciute.
I risultati più interessanti ottenuti durante il dottorato sono presentati nella tesi, oraganizzati in modo che ognuno dei tre capitoli seguenti descriva fluttuazioni di diversa natura, misurate nel plasma di RFX-mod.
In particolare, nel Capitolo 4 è descritta una forte attività osservata sorgere a bordo plasma ad una frequenza dell'ordine
dei 100 kHz.

Sono state effettuate varie analisi con lo scopo di rintracciare relazioni di dipendenza tra le caratteristiche dell'attività ed i parametri di plasma: i modi risuonano a bordo plasma, esternamente rispetto alla superficie di rovesciamento del campo magnetico toroidale, e la frequenza associata al modo è stata trovata essere dovuta principalmente all'effetto Doppler, in quanto essi ruotano con il plasma.
Un importante contributo all'interpretazione fisica dei modi è stata fornita da un'analisi di stabilità lineare effettuata per mezzo del codice ETAW, che risolve le equazioni MHD resistive in approssimazione cilindrica.
I risultati teorici hanno mostrato un buon accordo con le caratteristiche dei modi osservate sperimentalmente; è stato quindi possibile riconoscerli come appartenenti alla branca dei Resistive Interchange Modes, conosciuti anche in ambito astrofisico come g-mode.
Questo risultato è stato esposto in un articolo pubblicato da Nuclear Fusion nel 2010.

Il Capitolo 5 mostra l'analisi riguardante un altra attività magnetica ad alta frequenza rilevata sulla componente poloidale della fluttuazione magnetica misurata per mezzo della U-probe, ad una frequenza appartenente all'intervallo 0.1 - 1.2 MHz.
Sin dall'inizio, è risultata chiara la natura alfvénica di questi modi. In particolare, la loro frequenza è stata mostrata essere
proportionale alla velocità di Alfvén.
Sono stati osservati due diversi tipi di modi con le caratteristiche di modi alfvénici:
- il primo tipo consiste in due modi distinti, entrambi caratterizzati da bassa periodicità poloidale e toroidale, e sono visibili per tutta la durata della scarica. Le osservazioni sperimentali suggeriscono un'interpretazione di questi modi in termini di Global Alfvén Eigenmodes.
Un articolo a questo proposito è stato pubblicato da Nuclear Fusion nel 2011.
- il secondo tipo appare solo durante le fasi in cui il plasma assumes un equilibrio elicoidale, detto stato a Singolo Asse Elicoidale.
Altre analisi sono necessarie per capire la causa che induce questo tipo di modi alfvénici.
Lo studio dei modi alfvénici ha guadagnato importanza nelle ultime decadi, in quanto essi vengono destabilizzati da particelle energetiche; ciò significa che in un reattore a fusione, la presenza di particelle alpha può far nascere modi a profusione.
In questo contesto, i risultati sperimentali presentati in questa tesi si collocano come la prima osservazione di modi alfvénici nel plasma di RFX-mod.

Il Capitolo 6 riporta alcune osservazioni sperimentali riguardanti un'attività magnetica che sembra essere associata alla presenza di forti gradienti di temperatura.
Le analisi preliminari inerenti questi modi e il confrontodelle loro caratteristiche con quelle previste da un codice girocinetico, chiamto GS2, suggerirebbero un'interpretazione dell'attività in termini di instabilità microtearing.

Durante il mio dottorato ho partecipato ad una collaborazione tra gli esperimenti RFP RFX-mod e EXTRAP T2R.
Il Capitolo 7 è si occupa della descrizione di questa esperienza: la campagna sperimentale è stata dedicata principalmente
al ripristino di una sonda inseribile, la sonda \alfven, e all'acquisizione di misure elettrostatiche e magnetiche a diverse inserzioni radiali.
Nel capitolo è esposta un'analisi preliminare dei dati, inclusa l'applicazione di Perturbazioni Magnetiche Risonanti e Non-Risonanti (RMP and NRMPs).

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EPrint type:Ph.D. thesis
Tutor:Martin, Piero
Supervisor:Martines, Emilio and Zuin, Matteo
Ph.D. course:Ciclo 24 > Scuole 24 > FISICA
Data di deposito della tesi:30 January 2012
Anno di Pubblicazione:30 January 2012
Key Words:interchange modes, alfvén eigenmodes, microtearing modes
Settori scientifico-disciplinari MIUR:Area 02 - Scienze fisiche > FIS/03 Fisica della materia
Struttura di riferimento:Dipartimenti > Dipartimento di Fisica e Astronomia "Galileo Galilei"
Codice ID:4931
Depositato il:06 Nov 2012 14:13
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