Impact of externally applied 3D fields on plasma rotation and correlation to particle losses

Abstract

El modo de alto confinamiento (H-mode) está considerado como el modo de operación óptimo para futuros dispositivos de fusión nuclear. El H-mode viene acompañado de inestabilidades que provocan la expulsión de partículas y energía, y deterioran el confinamiento del plasma. Aunque dichas inestabilidades son tolerables en los dispositivos actuales, el desarrollo de t´ecnicas para su control es fundamental de cara a garantizar la integridad de futuros reactores. La aplicación de perturbaciones magnéticas externas es una de las herramientas más extendidas para la mitigación e incluso completa supresión de dichas inestabilidades. Estas perturbaciones alteran la simetría del campo magnético que confina al plasma. La respuesta del plasma a dichas perturbaciones es una línea de investigación muy activa actualmente. El objetivo de este trabajo es el estudio detallado de dos descargas de baja colisionalidad, llevadas a cabo en el tokamak ASDEX Upgrade. Durante estas descargas se aplican perturbaciones magnéticas externas para estudiar la respuesta del plasma. El estudio está centrado en el análisis de la evolución temporal acoplada de la rotación toroidal de las impurezas, pérdida de iones rápidos y densidad. Los resultados obtenidos revelan fuertes correlaciones entre estos para´metros. Las interdependencias entre las magnitudes dependen de (1) la caracterización de la población de iones rápidos sujeta a pérdidas y (2) la posición radial en la que se miden rotación y densidad. Se han observado fuertes cambios en el patrón de correlaciones asociados a las diferencias en las órbitas de los iones rápidos; y la intensificación de la correlación hacia el borde del plasma. Bajo determinadas circunstancias, se produce un cambio en el sentido de giro de la rotación toroidal de las impurezas en el borde del plasma, i.e. las impurezas en el borde y en el centro giran en sentido contrario. Ello también conlleva un cambio en el patrón de la correlación.

The high-confinement mode (H-mode) is considered to be the baseline operational scenario for future nuclear fusion devices. The H-mode is accompanied by instabilities that cause cyclic ejection of particles and energy, thus deteriorating the confinement of the plasma. Although these instabilities are tolerable in current experiments, the development of techniques for their control is crucial to guarantee the integrity of future devices. The application of external 3D magnetic fields is one of the most efficient techniques to achieve the mitigation and even full suppression of these instabilities. These magnetic perturbations break the symmetry of the magnetic field. The impact of the perturbations on the plasma is currently a very active research line. The objective of this thesis is a detailed analysis of two low collisionality discharges, which were carried out in the ASDEX Upgrade tokamak experiment. In these two discharges static magnetic perturbations were applied to study plasma response. The study is focused on the observation of the coupled evolution of the toroidal impurity rotation, fast-ion losses and electron density. The results reveal strong correlations between the parameters. The interdependencies between the parameters depend on (1) the type of fast-ion population which is subject to losses and (2) the radial position at which rotation and density are measured. A strong change in the correlation pattern is associated with changes in the orbit topology of the fast-ions. The correlation towards the plasma edge becomes more intense. Under certain circumstances, a change in the correlation pattern at the edge is connected to an impurity toroidal rotation reversal, i.e. a spin-up of the impurities in opposite direction to the plasma core.