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Trevisan, Gregorio Luigi (2013) Development of 2D/3D equilibrium codes for magnetically confined fusion experiments. [Ph.D. thesis]

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Abstract (english)

The present work is the result of a three-year Ph.D. research project carried out at Consorzio RFX on magnetically confined plasmas. Research on controlled thermonuclear fusion is currently being pursued by many countries throughout the world, thanks to its promise of a relatively clean and abundant energy source. The next steps for the international community are the construction and operation of a large device, ITER, considered as the last fusion physics experiment with respect to the tokamak configuration. After ITER, in fact, the first commercial proto-reactor, DEMO, is envisaged to demonstrate the feasibility of fusion as an energy source. The stellarator community, on the other hand, is building a new device, Wendelstein 7-X, which will provide further insight into three-dimensional physics.
Among the various fusion devices, the reversed-field pinch has been demonstrated, if not a viable device for commercial energy production, an excellent tool for plasma physics studies. The RFX-mod experiment situated at Consorzio RFX in Padova, Italy, is the biggest RFP device in the world and the most advanced fusion device with respect to active stabilization of magnetohydrodynamic perturbations through feedback control. The RFX-mod team, further-more, has tackled first theoretically and then experimentally the paramount concept of self-organization in RFPs, which produces enhanced confinement regimes with better transport properties and reduced magnetic chaos. Resonant tearing modes are known to be the biggest players in the dynamo mechanisms responsible for the helically deformed and enhanced regimes.
In such a complex framework, the reconstruction of the tearing modes in-side the plasma through external measurements is extremely important for both modelling and experimental reasons since, for example, the structures influencing the core transport properties of plasmas are in part linked to tearing modes.
The present Ph.D. thesis focuses, in particular, on the development of two-and three-dimensional equilibrium codes. As a first problem, a Fortran algorithm has been developed for the numerical solution of the helical Grad-Shafranov equation, which is a two-dimensional equilibrium equation derived under the assumption of helical symmetry. Such assumption is found to be particularly appropriate for the study of the dominant tearing mode in RFX-mod during routine quasi-single-helicity phases in RFP shots, but it can be applied to tokamak shots as well.
As a second problem, the three-dimensional VMEC/V3FIT code suite for equilibrium reconstruction has been analysed and studied. The helical Grad-Shafranov solver has been tested against the three-dimensional VMEC/V3FIT predictions, carrying out a valuable benchmark. Then, a further step has been taken in the application of the V3FIT code to fixed-boundary reconstructions in RFX-mod by implementing a new virtual diagnostic, which had been previously demonstrated to be able to solve the mismatch in the edge value for the helical safety factor.

Abstract (italian)

Il presente elaborato è il risultato di un progetto di tre anni svolto presso il Consorzio RFX come dottorato di ricerca sui plasmi a confinamento magnetico. La ricerca sulla fusione termonucleare controllata, infatti, è attualmente perseguita da molte nazioni nel modo, grazie alla promessa di una fonte di energia abbondante e pressoché pulita. I prossimi passaggi della comunità internazionale sono la costruzione e l’operazione di un grande dispositivo, ITER, considerato come l’ultimo esperimento di fisica per la fusione per quel che riguarda la configurazione tokamak. Dopo ITER, infatti, è previsto il primo protoreattore commerciale, DEMO, che dovrebbe dimostrare la fattibilità della fusione come fonte energetica. La comunità stellarator sta costruendo una nuova macchina, Wendelstein 7-X, che fornirà ulteriori spunti per la fisica tridimensionale. Tra i vari dispositivi per la fusione, il Reversed-Field Pinch è stato dimostrato essere, se non un dispositivo praticabile per la produzione commerciale di energia, un ottimo strumento per lo studio della fisica del plasma. L’esperimento RFX-mod situato presso il Consorzio RFX a Padova, in Italia, è la macchina RFP più grande del mondo e rappresenta il dispositivo fusionistico più avanzato per quel che riguarda la stabilizzazione attiva di perturbazioni magnetoidrodinamiche attraverso controllo in retroazione. I ricercatori di RFX-mod, inoltre, hanno studiato dapprima teoricamente e poi sperimentalmente il concetto essenziale di auto-organizzazione negli RFP, che produce regimi di confinamento migliorato contraddistinti da trasporto migliorato ed un livello ridotto di caos magnetico. I moditearing sono noti per essere i protagonisti dei meccanismi di dinamo responsabili delle deformazioni elicoidali e dei regimi migliorati. In uno scenario così complesso, la ricostruzione dei modi tearing dentro al plasma attraverso misurazioni esterne è estremamente importante per ragioni sia modellistiche che sperimentali, dal momento che le strutture che influenzano le proprietà di trasporto nei plasmi sono in parte collegate proprio ai modi tearing.
Il presente elaborato, in particolare, si occupa di sviluppo di codici bidimensionali e tridimensionali per la risoluzione di equilibri.
Come primo problema è stato sviluppato un codice Fortran per la risoluzione numerica dell’equazione elicoidale di Grad-Shafranov, che è un’equazione di equilibrio bidimensionale derivata sotto l’assunzione di simmetria elicoidale. Tali assunzioni si scoprono essere particolarmente appropriate per lo studio del modotearing dominante in RFX-mod durante gli stati ciclici di quasi-singola-elicità in configurazione RFP, ma possono essere applicate anche alla configurazione tokamak.
Come secondo problema sono stati analizzati e studiati i codici tridimensionali VMEC e V3FIT per la ricostruzione di equilibri. Il codice per la soluzione della Grad-Shafranov elicoidale è stato testato contro le predizioni tridimensionali di VMEC e V3FIT, svolgendo un fruttuoso confronto. Quindi, come ulteriore passaggio nell’applicazione del codice V3FIT ad RFX-mod in modalità fixed-boundary, è stata implementata una nuova diagnostica virtuale, che precedentemente è stata dimostrata essere in grado di risolvere l’inconsistenza nel valore al bordo per il fattore di sicurezza.

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EPrint type:Ph.D. thesis
Tutor:Giudicotti, Leonardo
Supervisor:Zanca, Paolo and Terranova, David
Ph.D. course:Ciclo 26 > Corsi 26 > Fusion Science and Engineering
Data di deposito della tesi:30 January 2014
Anno di Pubblicazione:2013
Key Words:plasma physics mhd 2d 3d equilibrium codes
Settori scientifico-disciplinari MIUR:Area 02 - Scienze fisiche > FIS/03 Fisica della materia
Struttura di riferimento:Centri > Centro Interdipartimentale "Centro Ricerche Fusione"
Codice ID:6724
Depositato il:04 Nov 2014 11:15
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Bibliografia

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