Performance limiting MHD phenomena in fusion devices: physics and active control

In this thesis different aspects of MagnetoHydroDynamic phenomena that limit plasma performance and confinement in toroidal pinch devices will be addressed. The thesis contains original work carried out in two different devices: the Joint European Torus (JET) tokamak, and the RFX-mod Reversed Field Pinch (RFP), which are both the largest magnetic confinement devices in operation for their configuration. In the JET device focus was put on Neoclassical Tearing Modes (NTMs), which are resistive instabilities that tear magnetic field lines and reconnect them forming magnetic field islands. With the aim of studying the NTM physics, two radial localization techniques for magnetic islands have been developed, and their outputs have been compared with q profiles obtained with a Motional Stark Effect diagnostic. One of the studied localization techniques has been also used in a non conventional way to reconstruct the NTM m number spectrum, and to extract new information on the tearing-kink structure of the mode. The impact of NTMs on JET advanced tokamak discharges has been documented, with the ultimate aim of quantifying the loss in plasma confinement induced by the mode as a function of the island radial localization. Other chirping modes were encountered in JET, which are thought to be driven by energetic particles and dubbed q=2 fishbones. Their experimental signature and impact on the plasma discharge have been studied. In the RFX-mod device the addressed topic was the study and control of Resistive Wall Modes (RWMs) in RFP configuration. The RWM is a branch of the ideal kink mode that grows on the time scale of current diffusion in the wall. First of all a RWM growth rate database in RFX-mod was created, and it was subsequently used as a standard growth rate reference in the analysis of the couplings between different m and n harmonics. Advanced feedback control topics were addressed as well, such as the development and benchmark of a dynamical RWM control simulator, and the RWM stabilization in control experiments using various sets of active saddle coils.

In questa tesi saranno affrontati i diversi aspetti dei fenomeni magnetoidrodinamici che limitano le prestazioni ed il confinamento degli esperimenti toroidali di tipo pinch. La tesi contiene il lavoro originale portato avanti in due diverse macchine, che sono entrambe i più grandi esperimenti a confinamento magnetico in operazione per rispettive configurazioni: il tokamak Joint European Torus (JET) ed il Reversed Field Pinch (RFP) RFX-mod. Nel tokamak JET l’attività di ricerca si è concentrata sui Neoclassical Tearing Modes (NTM), che sono delle instabilità resistive che rompono le linee di campo magnetico e le riconnettono, formando delle isole di campo magnetico. Allo scopo di studiare la fisica dei NTM, sono state sviluppate due tecniche per la localizzazione radiale delle isole magnetiche, ed i risultati prodotti sono stati confrontati con i profili radiali di q ottenuti per mezzo della diagnostica Motional Stark Effect. Una delle tecniche di localizzazione studiate è stata anche usata in modo non convenzionale per ricostruire lo spettro del numero d’onda m poloidale dei NTM, e per ricavare informazioni sulla struttura kink-tearing di queste instabilità. E’ stato pure documentato l’impatto dei NTM sulle scariche advanced tokamak, allo scopo di quantificare il peggioramento nel confinamento del plasma che queste inducono, in funzione della localizzazione radiale dell’isola magnetica da loro generata. Durante l’attività su JET sono state incontrate anche delle altre instabilità, che si ritiene siano eccitate dalla popolazione di particelle veloci nel plasma, e che sono soprannominate fishbone q = 2. Sono state caratterizzate le loro evidenze sperimentali ed il loro impatto sugli impulsi di plasma. Nel RFP RFX-mod il lavoro è stato concentrato sullo studio e controllo dei Resistive Wall Modes (RWM), che sono una branca dei modi kink ideali che cresce selle scale dei tempi della diffusione delle correnti all’interno delle strutture conduttrici attorno al plasma. Inizialmente è stato creato un database contenente i tassi di crescita di tutte le instabilità di tipo RWM rilevate in RFX-mod, ed il database è stato in seguito usato come riferimento nell’analizzare gli accoppiamenti tra le diverse armoniche m ed n dei RWM. Sono stati affrontati anche problemi di controllo in feedback avanzato, come lo sviluppo ed il benchmark di un simulatore dinamico del controllo attivo RWM, e la sperimentazione del controllo RWM usando diversi gruppi di bobine attive.