Analysis of energetic particle-driven Alfvénic instabilities in tokamak and stellarator plasmas using three dimensional numerical tools
Authors:   , Rakha Allah 
Published: October 2023

In this thesis, a detailed analysis of the experientially observed energetic particle-driven Alfvénic instabilities in tokamak and stellarator plasmas using three dimensional numerical tools based on the reduced MHD model has been carried out. In TJ-II stellarator plasmas, modelling of chirping and steady modes assesses their coexistence on the persistent appearance of the corresponding combination of the toroidal (n) and poloidal (m) mode numbers through the rotational transform sensitivity analysis both in iota lowering and iota rising dynamic plasmas. Modelling of the experimentally observed frequency sweeping phenomenon during the presence of Alfvénic activity with radially extended low-shear and radially localized strong-shear non-monotonic (NM) iota profiles provides an extended spectrum of Alfvénic modes in the wide frequency range as compared with normal (monotonic) iota profile results. Comparison of mode frequencies calculated using a standard dispersion relation and those modelled with the reduced MHD clustered frequency solver AE3D shows an agreement with the selection of iota minimum values, which supports MHD spectroscopy calculations.
Wave particle interaction (WPI) studies for the resonance function calculations developed using Monte Carlo transport model based on the 3D MHD equilibria for the TJ-II plasmas suggest for low bounce harmonics (p) the possibility of describing the non-linear evolution of the AEs in TJ-II by a sum of two ion populations with different weighting factors, one of which is dominated by drag and the other by diffusion. As the bounce harmonic increases, the resonance region starts to expand and can cover a significant area of the particle phase space until this resonance region vanishes at high bounce harmonics.
In ASDEX Upgrade tokamak plasmas a bifurcated MHD equilibrium is reconstructed with formation of 3D helical core as saturated magnetic axis and the remaining torus with an axisymmetric equilibrium. The formation of helical core is characterized as an 3D perturbation in an axisymmetric equilibrium state. Helically distorted MHD equilibria exit for the axisymmetric devices if q = 1 rational surfaces are present. Alfvén continuum calculations with the bifurcated equilibria lead to the frequency splitting between the highest frequency branch and the lowest frequency branch continua at the frequency accumulation point. Radially localised shifting of modes happens via coupling of the adjacent n-1 continuum around an accumulation point. Modelling including 3D effects correctly reproduces the phenomenon of continuum frequency splitting and provides a possible solution for the differences of few kHz in frequency splitting, which remained unexplained with the 2D kinetic calculations. The pressure scaling confirms the increase of helical excursion of the magnetic axis in equilibrium reconstruction and hence the range of continuum frequency splitting. The existence of low-frequency continua and its splitting around the frequency accumulation point are in agreement with the experimental observations for the low-frequency modes.
This dissertation provides an extensive comparison of the experimental and modelling results for the TJ-II stellarator plasmas along with the effect of the formation of bifurcated MHD equilibria on Alfvén continua in AUG tokamak plasmas.

En esta tesis, se ha llevado a cabo un análisis detallado de las inestabilidades Alfvénicas de partículas energéticas observadas experimentalmente en plasmas de tokamak y stellarators utilizando herramientas numéricas tridimensionales basadas en el modelo MHD reducido. En los plasmas de estellarators de TJ-II, el modelado de chirping y modos estables evalúa su coexistencia en la aparición persistente de la combinación correspondiente de los números de modo toroidal (n) y poloidal (m) a través del análisis de sensibilidad de transformación rotacional tanto en disminución de iota como en aumento de iota. El modelado del fenómeno de barrido de frecuencia observado experimentalmente durante la presencia de actividad Alfvénica con perfiles de iota no monotónicos (NM) de cizallamiento fuerte y de cizallamiento fuerte radialmente extendido proporciona un espectro extendido de modos Alfvénicos en el amplio rango de frecuencia en comparación con el normal (monotónico). La comparación de las frecuencias de modo calculadas usando una relación de dispersión estándar y aquellas modeladas con el solver de frecuencia agrupada para MHD reducido AE3D muestra un acuerdo con la selección de valores mínimos de iota, que respalda los cálculos de espectroscopía MHD. Los estudios de interacción de onda-partículas (WPI) para los cálculos de la función de resonancia desarrollados utilizando el modelo de transporte Monte Carlo basado en los equilibrios 3D MHD para los plasmas TJ-II sugieren para armónicos de bajo rebote (p) la posibilidad de describir la evolución no lineal de los AE en TJ-II por una suma de dos poblaciones de iones con diferentes factores de ponderación, uno de los cuales está dominado por arrastre y el otro por difusión. A medida que aumenta el armónico de rebote, la región de resonancia comienza a expandirse y puede cubrir un área significativa del espacio de fase de partículas hasta que esta región de resonancia se desvanece en armónicos de alto rebote. En los plasmas del ASDEX Upgrade tokamak se reconstruye un equilibrio MHD bifurcado con formación de núcleo helicoidal 3D como eje magnético saturado y el toro restante con un equilibrio axisimétrico. La formación del núcleo helicoidal se caracteriza como una perturbación 3D en un estado de equilibrio axisimétrico. Los equilibrios MHD distorsionados helicoidalmente salen para los dispositivos axisimétricos si en q = 1 están presentes superficies racionales. Los cálculos continuos de Alfvén con los equilibrios bifurcados conducen a la división de frecuencia entre la rama de frecuencia más alta y la rama de frecuencia más baja continua en el punto de acumulación de frecuencia. El cambio de modos radialmente localizado ocurre mediante el acoplamiento del continuo n-1 adyacente alrededor de un punto de acumulación. El modelado que incluye efectos 3D reproduce correctamente el fenómeno de la división de frecuencia continua y proporciona una posible solución para las diferencias de pocos kHz en la división de frecuencia, que permaneció sin explicación con los cálculos cinéticos 2D. La escala de presión confirma el aumento de la excursión helicoidal del eje magnético en la reconstrucción de equilibrio y, por lo tanto, el rango de división de frecuencia continua. La existencia de continuas de baja frecuencia y su división alrededor del punto de acumulación de frecuencia están de acuerdo con las observaciones experimentales para los modos de baja frecuencia. Este estudio se compone de una comparación extena de los resultados experimentales y de modelaje para los plasmas del stellarator TJ-II junto con el efecto de formación del equilibrio MHD bifurcado en el continuo Alfvén en los plasmas del AUG tokamak.

(Neerlandès) De experimenteel waargenomen Alfvénic-instabiliteiten die in tokamak- en stellaratorplasma's aangedreven worden door snelle deeltjes worden in detail geanalyseerd. De analyse gebeurde met behulp van driedimensionale numerieke methodes gebaseerd op het gereduceerde MHD-model. In TJ-II stellarator plasma's werd de co-existentie van tjilpende (chirping) en steady-state modi vastgesteld op basis van het aanhoudend voorkomen van de overeenkomstige combinatie van de toroïdale (n) en poloidale (m) modenummers. Deze vaststelling gebeurde op basis van de gevoeligheid ten opzichte van de rotatie-transformatie (rotational transform). Modellering van de veging van de frequentie (frequency sweeping) van de Alfvénic-activiteit met niet-monotone iota-profielen zijn, in vergelijking met normale (monotone) iota-profielresultaten, consistent met experimentele resultaten. Studies van de interactie tussen golf en deeltjes (WPI-wave particle interaction) voor de berekening van de resonantiefunctie met behulp van Monte Carlo transportmodel voor TJ-II plasma's, suggereren dat de niet-lineaire evolutie van AE's een som is van twee ion populaties met verschillende wegingsfactoren. Voor lage bounce harmonische, wordt één gedomineerd door sleep (drag) en de andere door diffusie. In ASDEX Upgrade tokamak-plasma's wordt een vertakt MHD-evenwicht gereconstrueerd met de vorming van een 3D-spiraalvormige kern en de asymmetrische 2D-mantel. Alfvén continuümberekeningen met de vertakte evenwichten leiden tot de frequentiesplitsing tussen de continua van de hoogste frequentietak en de laagste frequentietak en het verschuiven van modi met aangrenzend n continuüm rond het frequentieaccumulatiepunt.