Pedestal structure and stability in JET-ILW and comparison with JET-C

• Controlled thermonuclear fusion offers a promising concept for safe and sustainable production of electrical energy. However, there are still many issues to be investigated on the way to a commercial fusion reactor. An important point for detailed studies is connected to wall materials surrounding hot thermonuclear plasma. The JET tokamak (the largest fusion experiment in the world) in the United Kingdom has completed a major upgrade in 2011 in which the materials of the vessel surrounding the fusion fuel have been changed from a carbon-fibre-composite (or JET-C wall) to Beryllium and Tungsten. These new materials are the same as those that will be used in a next step fusion device International Thermonuclear Experimental Reactor ITER (hence the name ITER-like wall or JET-ILW), designed to demonstrate the feasibility of fusion reactor based on the tokamak concept. One of the goals of JET with the ILW is to act as a test bed for ITER technologies and for ITER operating scenarios.The overall purpose of the thesis work is to characterise the effect of the ILW on the structure and stability of edge plasma phenomenon called the pedestal, a steep pressure gradient associated with the H-mode, an operational regime with improved confinement. The aim is to contribute to the understanding of the difference in the pedestal performance between JET-C and JET-ILW.The work is focused on experimental characterisation of the pedestal structure in deuterium discharges by analysing the experimental data (radial profiles of electron temperature and density measured in H-mode plasmas) from Thomson scattering diagnostics at JET and on investigating the differences in pedestal stability between JET-ILW and JET-C plasmas in terms of the pedestal modelling. The pedestal structure is determined using a modified hyperbolic tangent fit to the experimental Thomson scattering profiles. The modelling is performed with the pedestal predictive code Europed, based on the EPED model commonly used to predict the pedestal height in JET.The experimental analysis has shown several differences in the pedestal structure of comparable JET-ILW and JET-C discharges. One of the key differences introduced in this work is the pedestal relative shift (a separation between the middle of the pedestals of the electron density and temperature) that plays a major role in the difference in the pedestal performance between JET-C and JET-ILW. The work shows that the relative shift can vary significantly from pulse to pulse and that, on average, JET-C plasmas have lower relative shift than JET-ILW plasmas. The pedestal relative shift tends to increase with increase in the gas fuelling and the heating power. Furthermore, the increase in the relative shift has been empirically correlated with the degradation of the experimental normalized pressure gradient αexp.To understand the differences in the JET-C and JET-ILW pedestal stability, parameters that affect the pedestal stability and that tend to vary between comparable JET-C and JET-ILW discharges have been identified. These parameters are the pedestal relative shift, pedestal density neped, effective charge number Zeff, pedestal pressure width wpe, and normalized pressure βN. The modelling performed with the predictive Europed code has shown that these five parameters are sufficient to explain the difference in the pedestal performance between JET-C and JET-ILW.Furthermore, the modelling has shown that the relative shift and neped play a major role in affecting the critical normalized pressure gradient αcrit (normalized pressure gradient expected by the model comparable to αexp), while the relative shift, wpe and Zeff have a major impact on the pedestal pressure height. Finally, a possible mechanism that has led to the degradation of the pedestal pressure from JET-C to JET-ILW is proposed.

• Kontrollerad termonukleär fusion erbjuder ett lovande koncept för säker och hållbar energiproduktion. Det finns dock fortfarande många frågor som ska undersökas på väg till en kommersiell fusionsreaktor. En viktig aspekt är väggmaterialet som innesluter det varma termonukleära plasmat. JET tokamak, världens största fusionsexperiment beläget i Storbritannien, har genomgått en stor översyn 2011 där kolfiberkompositvägg (eller JET-C vägg) som innesluter fusionsbränslet ersattes med beryllium och volfram. De nya materialen är identiska med de i nästa stegs fusionsexperiment, International Thermonuclear Experimental Reactor ITER (därav namnet “ITER-liknande vägg” eller JET-ILW), som förväntas demonstrera genomförbarheten av en fusionsreaktor baserad på Tokamak-konceptet. Ett av de experimentella målen med JET-ILW är att vara ett test för ITER-teknik och för ITER-driftsscenarier.Det övergripande målet för detta avhandlingsarbete är att beskriva hur strukturen och stabiliteten hos ett kantplasmafenomen som kallas piedestal påverkas av ILW. Piedestal är en brant tryckgradient associerad med H-mod, vilket är ett driftscenario med förbättrad inneslutning. Syftet är att bidra till förståelsen av skillnader i piedestalstrukturen mellan JET-C och JET-ILW.Avhandlingens fokus är att beskriva piedestalstrukturen i deuteriumurladdningar genom att analysera experimentella data (radiella profiler av elektrontemperatur och densitet mätt i H-mod plasma) från Thomsonspridningsdiagnostik vid JET, och att belysa skillnader i piedestalens stabilitet mellan JET-ILW och JET-C-plasma via modellering. Piedestalstrukturen kännetecknas av en modifierad hyperbolisk anpassning till experimentella Thomsonspridningsprofiler. Modelleringen utförs med prediktionskoden Europed, baserad på EPED-modellen som allmänt används för att förutsäga piedestalhöjden i JET.Analysen av experimentella data från JET-ILW och JET-C visar ett antal skillnader i piedestalstrukturen hos plasmaurladdningar under jämförbara förhållanden. En nyckelskillnad i piedestalens struktur som introduceras i detta arbete är piedestalens relativa skift, d.v.s. separering av piedestalens mittpunkt för elektrondensiteten och temperaturen. Det relativa skiftet kan variera avsevärt mellan pulser och i genomsnitt har JET-C-plasma ett lägre relativt skift än JET-ILW-plasma. Piedestalens relativa skift tenderar att öka med ökande gasinflöde och uppvärmningseffekt. Vidare korrelerar ökningen i det relativa skiftet empiriskt med försämring av den experimentella normaliserade tryckgradienten αexp.För att förstå skillnaderna i JET-C och JET-ILW-piedestalstabiliteten identifierades parametrarna som påverkar piedestalstabiliteten och som tenderar att variera mellan jämförbara JET-C- och JET-ILW-plasmasurladdningar. Dessa parametrar är det relativa skiftet för piedestalen, piedestalens densitet neped, det effektiva laddningstalet Zeff, piedestalens bredd wpe och det normaliserade trycket βN. Modelleringen med den prediktiva Europed-koden visar att dessa fem parametrar är tillräckliga för att förklara piedestalens skillnader mellan JET-C och JET-ILW. Vidare visar modelleringen att det relativa skiftet och neped påverkar den kritiska normaliserade tryckgradienten αcrit (normaliserad tryckgradient som i modellen antas vara jämförbar med αexp) medan det relativa skiftet, wpe och Zeff har en stor påverkan på piedestalens höjd. Slutligen föreslås en möjlig mekanism som har lett till försämring av piedestaltrycket vid övergången från JET-C till JET-ILW.

Ämnesord

NATURVETENSKAP  -- Fysik -- Fusion, plasma och rymdfysik (hsv//swe)

NATURAL SCIENCES  -- Physical Sciences -- Fusion, Plasma and Space Physics (hsv//eng)

Nyckelord

JET

Thomson scattering

pedestal

pedestal position

pedestal stability

Europed modelling

Physics

Fysik

Publikations- och innehållstyp

vet (ämneskategori)

dok (ämneskategori)