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

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 cómo varía el valor de la densidad que minimiza el umbral de potencia de la transición L-H (n_e,min) en función de la composición del plasma. En los plasmas de tritio n_e,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 este no varía a lo largo de la rampa de potencia previa de la transición, un dato que apoya teorías de transición de fase magnéticas frente a las convencionales basadas en la cizalladura del campo eléctrico. Es de resaltar que las campañas experimentales de tritio y deuterio-tritio en JET han producido numerosos resultados que se seguirán analizando. Se espera profundizar en los resultados mencionados, estudiando la influencia de la composición del plasma en los perfiles de densidad, temperatura y presión previos de la transición L-H. Estos datos han permitido empezar a desarrollar nuevas leyes de escala para JET y tokamaks con paredes metálicas. La nueva base de datos de transición L-H permitirá perfeccionar y comprender estas leyes de escala y asi mejorar las predicciones para ITER.

En el área del control de impurezas, nos hemos centrado en evaluar 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. Esta es una fase particularmente complicada para ITER puesto que durante esta fase es necesario retrasar en lo posible la transición H-L y así evitar una transición brusca a modo L que, de producirse cuando el contenido en energía del plasma es todavía elevado, podría llegar a comprometer el control de la posición radial del plasma y poner en peligro la integridad de la pared del tokamak. 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. Estos experimentos también han permitido validar simulaciones de transporte muy detalladas, lo que permite tener una mayor confianza en las predicciones de esta fase de la descarga durante la operación de ITER. También hay que mencionar que con estos experimentos hemos demostrado que los «kicks» son eficientes para aumentar la frecuencias de los ELMs no solo durante la fase estacionaria del modo H, a potencias de calentamiento muy por encima de la potencia necesaria para acceder a modo H, sino también en condiciones cercanas a la transición H-L. Estos estudios son relevantes para ITER, puesto que los ´kicks´ podrían ser el único método de control de ELMs disponible durante la primera fase de operación de ITER a baja corriente (5.3 MA/1.8 T, plasmas de He o H, que se denomina en la literatura PFPO).

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 investigado en JET un nuevo régimen de operación en modo H en JET, obtenido suprimiendo la inyección de gas. Este regimen presenta un buen confinamiento, con ELMs de pequeño tamaño y sin acumulación de impurezas. Se trata de un escenario novedoso en JET, especialmente porque se alcanza a baja colisionalidad en el pedestal, el mismo régimen en el que se espera operen los plasmas en modo H en ITER.

Cronograma del proyecto

• 17/Septiembre/2017: Memoria presentada para solicitar el proyecto
• 14/Junio/2018: Resolución del BOE - proyecto aprobado, con una duración inicial de 3 años y una subvención de 72.600€. La fecha de inicio del periodo de ejecución será el 1 de enero de 2018 para todos los proyectos
• Junio/2018: Valoración proyecto - Calificación A
• Informe intermedio
• 31/Agosto/2020: Petición & Concesión de prórroga - Duración inicial del proyecto: 01/01/2018 - 31/12/2020. Se solicita una prórroga de 1 año, pero solo se conceden 9 meses.
• 21/Marzo/2022: Informe final FIS2017-85252-R
• Julio-2023: Valoración Informe final - MUY SATISFACTORIO

Difusión de los resultados de este proyecto

A. Publicaciones en revistas con “peer review” directamente relacionadas con los resultados del proyecto

1. F. Koechl, A. Loarte, E. de la Luna, et al. W transport and accumulation in the terminatation phase of JET H-mode discharges and implications for ITER. Plasma Physics and Controlled Fusion 60 (2018) 074008
2. F.J. Artola, G.T.A. Huijsmans, M. Hoelzl, P. Beyer, A. Loarte and Y. Gribov. Non-linear magnetohydrodynamic simulations of edge localised mode triggering via vertical position oscillations in ITER, Nuclear Fusion 58 (2018) 096018
3. P.C. de Vries, T. C Luce, (…), E de la Luna, et al. Multimachine analysis of termination scenarios with comparison of simulations of controlled shutdown of ITER discharges. Nuclear Fusion (2018) 026019
4. J. C. Hillesheim, E. Delabie, E. R. Solano, …, E. de la Luna, et al. Implications of JET-ILW L-H Transition Studies for ITER. Proc. 27th IAEA Fusion Energy Conference, Gandhinagar, India (22-27 October, 2018) EX/41 (invited)
5. C Silva, JC Hillesheim, L Gil,… ER Solano, et al. Geodesic acoustic mode evolution in L-mode approaching the L–H transition on JET, Plasma Physics and Controlled Fusion 61 (2019) 075007
6. D.I. Réfy, E.R. Solano et al, Identity of the JET M-mode and the ASDEX Upgrade I-phase phenomena , Nuclear Fusion, 60 (2020) 056004 6. E. R. Solano, …, E de la Luna, …, A. Loarte,… et al, L–H transition threshold studies in Helium plasmas at JET, Nuclear Fusion 61 (2021) 124001
7. C Silva, E.R. Solano, et al, Structure of the JET edge radial electric field in He and D plasmas, Nuclear Fusion 61 (2021) 126006
8. M. Lennholm, …. E. de la Luna, et al. Statistical assessment of ELM triggering by pellets on JET, Nuclear Fusion 61 (2021) 036035
9. J. García, E. de la Luna, et al.New H-mode regimes with small ELMs and high thermal confinement in the Joint European Torus. Physics of Plasmas 29 (2022) 032505 (Featured article)
10. E. de la Luna, A. Loarte, …, E. R. Solano and JET contributors. Evolution and control of tungsten transport in the termination phase of JET H-mode discharges and implications for ITER. Proc. 27th IAEA Fusion Energy Conference, Gandhinagar, India (22-27 October, 2018) EX/2-1 3 (invited)
11. E. R. Solano, G. Birkenmeier, …, E. de la Luna et al. L-H Transition Studies at JET: H, D, He and T. Proc. 28th IAEA Fusion Energy Conference. Virtual Event (10-15 Mayo, 2021) EX/2-3 (invited)
12. E. de la Luna, M. Sertoli, J. García, … E. R. Solano, et al. Exploring the physics of a high-performance H-mode with small ELMs and zero gas puffing in JET-ILW. Proc. 28th IAEA Fusion Energy Conference. Virtual Event (10-15 Mayo, 2021) EX/3-2 (invited)
13. ER Solano, …. E. de la Luna, …., J. García, …, A. Loarte, …. , A. Manzanares, et al, Recent progress in LH transition studies at JET: Tritium, Helium, Hydrogen and Deuterium, aceptado para publicación en Nuclear Fusion en 2022 (enviado a JET el 14/9/2021)

B. Asistencia a congresos, conferencias o workshops relacionados con el proyecto (miembros del equipo investigador)

1. 45th EPS Conference on Plasma Physics (República Checa), 2018. Using rotating current ribbons to model MHD: the EHO . E.R.Solano, K. Burrel, et al. Tipo de comunicación: Poster
2. 45th EPS Conference on Plasma Physics (República Checa), 2018. An in-depth look into the physics of ELM triggering via vertical kicks through non-linear MHD simulations. J. Artola, G. Huijsmans, M. Hoelzl, P. Beyer, A. Loarte, Y. Gribov, E. de la Luna, F. Koechl and JET contributors. Tipo de comunicación: Charla invitada
3. 23rd Joint EU-US Transport Task Force Meeting (España), 2018. Power balance analysis at the L to H transition in JET-ILW. E.R. Solano, et al. Tipo de comunicación: Charla invitada
4. 27th IAEA Fusion Energy Conference (India), 2018. Evolution and control of tungsten transport in the termination phase of JET H-mode discharges and implications for ITER . E. de la Luna, A. Loarte, F. Rimini, …, E. R. Solano et al. Tipo de comunicación:Invitada
5. 27th IAEA Fusion Energy Conference (India), 2018. Implications of JET-ILW L-H Transition Studies for ITER. J. C. Hillesheim, E. Delabie, E. R. Solano, …, E. de la Luna, et al. Tipo de comunicación: Charla invitada
6. 27th IAEA Fusion Energy Conference (India), 2018. Stellarator Nonlinearly Saturated Periodicity-Breaking Ideal Magnetohydrodynamic Equilibrium States. D. López-Bruna et al. Tipo de comunicación: Poster
7. 27th IAEA Fusion Energy Conference (India), 2018. ELM and ELM-control simulations SA. Pamela, N. Aiba,…, E. de la Luna, et al. Tipo de comunicación: Charla invitada
8. 27th IAEA Fusion Energy Conference, (India), 2018 Título: QH-mode extrapolation for ITER Q=10 plasma with nonlinear MHD code JOREK Tipo de comunicación: Poster Autores*: F. Liu, G.T.A. Huijsmans, A. Loarte, M. Hoelzl, et al. Año: 2018
9. ITPA Edge Plasma and Pedestal Physics Topical Group (ITPA es el acrónimo de International Tokamak Physics Activities) (Francia), 2018. Isotope effect on L-H transition from historical T and DT campaigns at JET. E.R. Solano. Tipo de comunicación: Oral
10. ITPA Edge Plasma and Pedestal Physics Topical Group (ITPA es el acrónimo de International Tokamak Physics Activities) (Francia), 2018. JET L-H transition experimental plans. E.R. Solano. Tipo de comunicación: Oral
11. 61st Annual Meeting of the APS Division of Plasma Physics (EEUU), 2019. Helium L-H transition threshold studies in JET-ILW. E.R. Solano, E. Delabie, …, E. de la Luna, … Tipo de comunicación: Oral durante la sesión sobre ITER
12. 61st Annual Meeting of the APS Division of Plasma Physics (EEUU), 2019. Development of a QH-mode scenario on ASDEX Upgrade. E. Viezzer, J. Hobirk, E.R. Solano, et al. Tipo de comunicación: Póster
13. 46th EPS Conference on Plasma Physics (Milan, Italia), 2019. Revisiting H, D and T studies of L-H transitions in JET.E.R. Solano, et al. Tipo de comunicación: Póster
14. 46th EPS Conference on Plasma Physics (Milan, Italia), 2019. Ion heat channel at the L-H transition in JET-ILW. P. Vincenzi, E. Delabie, E.R.Solano, et al. Tipo de comunicación: Póster
15. 22nd International Stellerator Workshop (EEUU), 2019. The HPI2 code as a tool to understand the underlying physics of cryogenic pellet injection in the stellarators TJ-II, Heliotron-J and W7-X. N. Panadero, et al. Tipo de comunicación: Póster
16. ITPA Edge Plasma and Pedestal Physics Topical Group (ITPA es el acrónimo de International Tokamak Physics Activities) (Cadarache, Francia), 2020 Report on the use of vertical kicks for impurity control in JET E. de la Luna. Tipo de comunicación: Oral

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