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LNF: Pedestal studies in high confinement regimes in tokamaks in ITER relevant conditions (HMODPEDTOK) (2018-2021)

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LNF - Nationally funded project

Title: Pedestal studies in high confinement regimes in tokamaks in ITER relevant conditions (HMODPEDTOK)

Reference: FIS2017-85252-R

Programme and date: Proyectos de 2017

Programme type (Modalidad de proyecto): I+D RETOS 2017

Area/subarea (Área temática / subárea): Energía / Fusión Termonuclear

Principal Investigator(s): Elena de la Luna and Emilia R. Solano

Project type: Proyecto individual

Start-end dates: 01/01/2018 - 30/09/2021 (3 years + 9 meses)

Financing granted (direct costs): 72.600 €

Descripción del proyecto

Esta propuesta se enmarca dentro del programa de fusión europeo y tiene como objetivo contribuir a mejorar la predicción de los regímenes de operación que se esperan en los futuros dispositivos de fusión como ITER. El proyecto se centra en tres aspectos fundamentales de la operación de ITER relacionados con la física del pedestal: la transición L-H, el control de impurezas mediante el control activo de los ELMs y regímenes de confinamiento sin ELMs.

  1. Para la transición L-H se plantean estudios teóricos y experimentales. Hemos propuesto un modelo innovador para la transición L-H basado en la criticidad y los estados de magnetización del plasma. Es nuestra intención continuar con el desarrollo de este modelo y validar los resultados obtenidos mediante simulaciones del transporte de partículas y calor y comparaciones con la teoría de superconductividad. Experimentalmente, nuestra propuesta se enfoca en el estudio de la actividad MHD asociada a la transición L-H. Hemos identificado en JET una oscilación magnética y coherente de modo toroidal n=0 que aparece cerca de la transición L-H y que se ha denominado modo M. Este modo coherente puede desvanecerse lentamente hasta convertirse en ELMs pequeños (tipo III) o permanecer de forma estacionaria hasta que la potencia de calentamiento o la densidad aumente. Nuestro objetivo es caracterizar este modo y desarrollar un modelo teórico basado en las observaciones experimentales de las que disponemos.
  2. En el área del control de impurezas, nuestra propuesta se centra en la aplicación de métodos que permiten el aumento controlado de la frecuencia de los ELMs para minimizar el contenido de impurezas en el plasma. En particular, estudiaremos los llamados vertical kicks, que son desplazamientos verticales muy rápidos del plasma, y la inyección de pellets. El control de impurezas es esencial en la operación de tokamaks con tungsteno (W) presente en las paredes del dispositivo. El aumento del contenido de impurezas en el plasma puede dar lugar a una pérdida de confinamiento y al colapso radiativo del plasma. Nuestros objetivos en este proyecto son: a) evaluar la capacidad de los métodos activos de generación de ELMs para el control de impurezas en JET y b) validar y desarrollar los modelos de transporte necesarios para así poder extrapolar los resultados obtenidos a ITER. Los estudios se enfocarán en regímenes de operación relevantes para ITER, como son el acceso a modo H en la fase inicial de la subida de la corriente del plasma, durante la fase de corriente constante en situaciones de baja potencia de calentamiento y la transición H-L durante la fase de bajada de la corriente.
  3. El modo QH (Quiescent H-mode) es un régimen de alto confinamiento con gradientes elevados en el borde del plasma pero sin ELMs. En este régimen, la aparición en el borde del plasma de un modo MHD conocido como Edge Harmonic Oscillation (EHO) genera suficiente transporte en la región del pedestal como para evitar la acumulación de impurezas incluso en ausencia de ELMs. Nosotros especulamos que el llamado Outer mode (OM) que se observa en JET es, de hecho, un modo tipo EHO. Nuestro objetivo es comprobar si esta hipótesis es correcta comparando datos y llevaremos a cabo simulaciones no-lineales de la actividad MHD en DIII-D y posiblemente en JET. A la larga, si demostramos que EHO y Outer Mode son el mismo fenómeno, estaremos en mejores condiciones para la aplicabilidad del QH-mode a ITER.

Resumen de los resultados más importantes del proyecto

Las tareas de investigación de este proyecto se enmarcan en el programa de fusión europeo y tienen como objetivo contribuir a mejorar la predicción de los regímenes de operación que se esperan en los futuros dispositivos de fusión como ITER y DEMO. El proyecto se centra en tres aspectos fundamentales: la transición del modo de bajo (modo L) a alto (modo H) confinamiento, el control de impurezas mediante el control activo de los ELMs (del inglés Edge Localized Modes) y regímenes de confinamiento sin ELMs o con ELMs de pequeño tamaño (para ITER y DEMO).

Los experimentos realizados en JET para investigar de qué depende la potencia de calentamiento umbral para acceder al modo H (PLH) han permitido construir una extensa base de datos, que incluye plasmas de hidrógeno, deuterio (D), tritio (T), deuterio-tritio (la mezcla que se utilizará en futuros reactores de fusión) y helio. Los datos de tritio y DT son únicos en el mundo. Los experimentos han permitido documentar la gran variación del valor de la densidad que minimiza el umbral de potencia de la transición L-H (ne,min) en función de la composición del plasma. En los plasmas de tritio la ne,min es un 25% más baja que en deuterio, y en helio es el doble que en deuterio. El dato en Helio tiene implicaciones para la operación inicial en ITER. Medidas por reflectometría Doppler del campo eléctrico en el borde del plasma muestran que éste no varía a lo largo de la rampa de potencia antes de la transición, un dato que apoya teorías de transición de fase magnéticas frente a las convencionales.

En el área del control de impurezas, evaluamos el impacto de métodos activos de control de ELMs: inyección de gas, ‘kicks’ y pellets en la fase de salida del modo H, donde se produce la bajada de la corriente del plasma y tiene lugar la transición H-L provocada por la reducción de la potencia de calentamiento. Este trabajo ha demostrado que el control de ELMs, en particular el uso de ‘kicks’ y pellets, juega un papel crucial durante esta fase, contribuyendo a retrasar la transición H-L y evitando así la acumulación de impurezas en el centro del plasma y las disrupciones que esto provoca. La reducción del número de disrupciones es uno de los retos a los que se enfrenta la operación en ITER, de ahí la importancia de este trabajo. Utilizando estos datos hemos realizado estudios teóricos enfocados en la validación de los modelos de transporte existentes con el objetivo de así mejorar las predicciones para ITER.

En cuanto al estudio de plasmas con ELMs pequeños o sin ELMs, de gran importancia para ITER y DEMO, hemos contribuido a desarrollar el modo H “quiescent”, en el tokamak AUG. Se caracterizan por una oscilación harmónica en el borde (EHO). También hemos detectado indicios del EHO en plasmas de tritio en JET. Por último, hemos estudiado un nuevo régimen de operación en JET (sin inyección de gas) en el se consigue mantener modo H en modo estacionario, con buen confinamiento y con ELMs de pequeño tamaño, de mucho interés para la comunidad de fusión.


Cronograma del proyecto

References

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