Modelling of Alfvén modes and their stability in the presence of ICRH-accelerated energetic ion populations in tokamak devices

Rui Pedro Salgado Paiva Calado

Key information

Authors:

Rui Pedro Salgado Paiva Calado (Rui Pedro Salgado Paiva Calado)

Supervisors:

Fernando José Robalo Nabais (Fernando José Robalo Nabais)

Published in

September 22, 2023

Abstract

Os plasmas de fusão encontrados em reactores tokamak são em grande extensão descritos com sucesso pelo modelo da Magneto-hidrodinâmica (MHD). Este modelo prevê a existência de modos de Alfvén discretos que são facilmente excitáveis através da interacção ressonante com populações de iões energéticos. Esta interação pode levar ao crescimento exponencial dos modos e não só comprometer a operação auto-sustentada dos reactores como também resultar em danos a alguns dos seus componentes. É, portanto, de extrema importância que se desenvolvam métodos para controlar estes modos durante a operação de reactores de fusão. Nesta tese, dois tipos de modos de Alfvén são estudados através de modelação numérica: as cascatas de Alfvén e os TAEs (do inglês Toroidicityinduced Alfvén Eigenmodes). Os estudos foram conduzidos com dois objectivos principais: perceber a relação destes modos com parâmetros do equilíbrio tais como o perfil do factor de segurança, de forma a identificar detalhes do equilíbrio que podem ser inferidos através da observação dos modos em descargas (processo conhecido como espectroscopia MHD); contribuir para o desenvolvimento de métodos para controlar o aparecimento e crescimento destes modos. Os estudos apresentados nesta tese contribuíram para a identificação numérica de diversos tipos de cascatas observadas em descargas do Joint European Torus (JET). Em particular, foram identificadas cascatas de alta frequência com padrões de frequência decrescente e, pela primeira vez no JET, cascatas próximas do eixo magnético associadas a perfis monotónicos quase planos. Adicionalmente, a transição de modos cascata para TAEs foi investigada, de onde resultou a proposta de um método de espectroscopia MHD para estimar a evolução do factor de segurança. É ainda apresentada nesta tese a análise de uma experiência dedicada à supressão de TAEs utilizando a tecnologia de geração de corrente através da ressonância ciclotrónica dos electrões (Electron Ciclotron Current Drive - ECCD). Estimativas dos efeitos de excitação e atenuação experienciados pelos modos indicam que a supressão dos modos está maioritariamente relacionada com o decréscimo da excitação por parte de uma população de partículas rápidas. Fusion plasmas found in tokamak reactors are accurately described to great extent by the Magnetohydrodynamics model (MHD). This model predicts the existence of discrete Alfven modes which are easily excited by resonant interaction with energetic ion populations. This interaction may lead to exponential growth of the modes and not only compromise the self-sustained operation of the reactors but also cause damage to some plasma facing components. It is thus crucial that methods are developed to control these modes during the operation of the reactors. In this thesis, two types of Alfven modes are ´ studied through numerical modelling: Alfven cascades (ACs) and toroidicity-induced Alfv ´ en eigenmodes ´ (TAEs). The studies were conducted with two main goals: understand how these modes respond to equilibrium parameters such as the safety factor profile so that equilibrium details may be inferred from the observation of the modes in the discharges (known as MHD spectroscopy); contribute to the development of methods to control the appearance and growth of these modes. The studies presented in this thesis contributed to the numerical identification of distinct types of ACs observed in discharges at the Joint European Torus (JET). Among the types of cascades identified in this work were down-chirping high frequency cascades and, for the first time at JET, near-axis cascades associated with monotonic, very flat safety factor profiles. Additionally, the transition of cascade modes to TAEs was investigated, from which an MHD spectroscopy technique was proposed to estimate the evolution of the safety factor. Lastly, it is also presented in this thesis the analysis of an experiment dedicated to the suppression of TAEs by means of Electron Cyclotron Current Drive. The estimates of drive and damping effects suggest that the major cause for the suppression of the modes is the decrease of the drive from the interaction with an ICRH-excited energetic ion population.