Stationary ELM-free H-mode in ASDEX Upgrade

Luís Manuel Cerdeira Gil

Key information

Authors:

Luís Manuel Cerdeira Gil (Luís Manuel Cerdeira Gil)

Supervisors:

Carlos Alberto Nogueira Garcia da Silva (Carlos Alberto Nogueira Garcia da Silva); Tim Happel

Published in

01/12/2021

Abstract

Um modo H estacionário sem modos localizados na periferia (ELMs) foi demonstrado com sucesso no tokamak ASDEX Upgrade (AUG) com acentuado aquecimento ressonante ciclotrónico dos eletrões. Obtém-se com um nível de deutério adequado e potência de aquecimento acima da transição L-H, mas abaixo do limiar dos ELMs. O regime é identificado como o modo H EDA e a sua capacidade de manter um pedestal estacionário sem ELMs deve-se provavelmente a instabilidades periféricas benignas, incluindo um modo quasi-coerente eletromagnético que parece responsável por um aumento de transporte. Várias medidas foram tomadas para melhorar o desempenho do regime e a sua relevância para reatores. Moldar fortemente o plasma permite que a ausência de ELMs seja mantida com mais aquecimento, levando a um aumento de temperatura e pressão. A maior potência requer uma melhor dissipação de calor, que foi conseguida com dopagem de azoto. Este aumenta a radiação no diversor, baixando significativamente o fluxo de calor para as placas, sem degradar o confinamento no centro do plasma nem diluir consideravelmente o combustível. Dopagem de árgon provou ser eficaz no arrefecimento radiativo do pedestal, com impacto reduzido no centro do plasma, baixando a temperatura do diversor e ao mesmo tempo estendendo a janela de potência sem ELMs. O modo H EDA no AUG possui várias características desejáveis para reatores futuros, tais como bom confinamento energético, alta densidade, baixo teor de impurezas, compatibilidade com paredes de tungsténio e dopagem de impurezas, possibilidade de acesso a baixo torque e potência, com aquecimento predominantemente eletrónico, sem necessidade de boronização recente e sem acumulação de impurezas, apesar de não ter ELMs. Isto constitui um conjunto único de características pela primeira vez atingidas em simultâneo num dispositivo de fusão. Variações de parâmetros em modos H EDA mostraram que um nível mínimo de combustível é necessário para aceder ao regime. Aumentar mais o nível de gás leva a um pequeno aumento da densidade e diminuição do confinamento energético, mas permite a aplicação de maior aquecimento. Aumentar a corrente de plasma também estende a janela de potência sem ELMs e aumenta a densidade sem degradar o confinamento, subindo o produto triplo alcançável. Em termos de parâmetros adimensionais, o modo H EDA até agora só foi explorado a alto fator de segurança e colisionalidade. Contudo, distingue-se noutros parâmetros, apresentando baixa carga iónica efetiva e alto fator de melhoria de confinamento, pressão normalizada e fração de Greenwald. Tendo em conta as suas inúmeras vantagens, o modo H EDA merece continuar a ser desenvolvido e estudado em máquinas atuais e esperadas, com o objetivo final de avaliar com segurança a sua compatibilidade com reatores futuros. A stationary H-mode without edge localized modes (ELMs) has been successfully demonstrated in the ASDEX Upgrade (AUG) tokamak with significant electron cyclotron resonance heating. It is obtained via adequate fueling and heating power above the L-H transition, but below the ELM threshold. The regime is identified as the EDA H-mode and its ability to maintain a steady-state pedestal without ELMs is likely due to benign edge instabilities, including an ubiquitous electromagnetic quasi-coherent mode that appears to drive enhanced transport. Several measures have been taken to improve the performance and reactor relevance of this regime. With strong shaping, it can be accessed within a wider ELM-free power window, allowing the achievement of higher temperature and pressure. The higher heating power calls for a better exhaust that was accomplished by nitrogen seeding. This increases divertor radiation, leading to much lower target heat fluxes without degrading core confinement nor significantly diluting the fuel. Furthermore, argon seeding proved effective in radiatively cooling the pedestal with minimal core impact, simultaneously lowering divertor temperature and extending the ELM-free power window. The EDA H-mode in AUG features several desirable properties for future reactors, such as good energy confinement, high density, low impurity content, compatibility with tungsten walls and extrinsic impurity seeding, possibility of access at low input torque and power, with dominant electron heating, no need for a fresh boronization, and no impurity accumulation despite the absence of ELMs. This constitutes a unique set of characteristics simultaneously achieved for the first time in a fusion device. Parameter scans in EDA H-modes showed that a minimum fueling level is required to access the regime. Further increasing the gas puff leads to a small density increase and slight reduction in energy confinement, but allows the application of more power. Increasing plasma current also extends the ELM-free power window and raises density without degrading confinement, increasing the achievable triple product. In terms of dimensionless quantities, the EDA H-mode in AUG has so far only been explored at high safety factor and collisionality. However, it performs quite well in other parameters, exhibiting a low effective ion charge and high confinement enhancement factor, Troyon-normalized pressure and Greenwald fraction. Considering its many advantages, the EDA H-mode is worth further developing and studying in current and upcoming devices, with the ultimate goal of reliably assessing its compatibility with future reactors.