Published November 29, 2012 | Version v1
Report Open

Stability and properties of electron-driven fishbones in tokamaks

Description

In tokamaks, the stability of magneto-hydrodynamic modes can be modified by populations of energetic particles. In ITER-type fusion reactors, such populations can be generated by fusion reactions or auxiliary heating. The electron-driven fishbone mode belongs to this category of instabilities. It results from the resonant interaction of the internal kink mode with the slow toroidal precessional motion of energetic electrons and is frequently observed in present-day tokamaks with Electron Cyclotron Resonance Heating or Lower Hybrid Current Drive. These modes provide a good test bed for the linear theory of fast-particle driven instabilities as they exhibit a very high sensitivity to the details of both the equilibrium and the electronic distribution function. In Tore Supra, electron-driven fishbones are observed during LHCD-powered discharges in which a high-energy tail of the electronic distribution function is created. Although the destabilization of those modes is related to the existence of a fast particle population, the modes are observed at a frequency that is lower than expected. Indeed, the corresponding energy assuming resonance with the toroidal precession frequency of barely trapped electrons falls in the thermal range. The linear stability analysis of electron-driven fishbone modes is the main focus of this thesis. The fishbone dispersion relation is derived in a form that accounts for the contribution of the parallel motion of passing particles to the resonance condition. The MIKE code is developed to compute and solve the dispersion relation of electron-driven fishbones. The code is successfully benchmarked against theory using simple analytical distributions. When coupled to the relativistic Fokker-Planck code LUKE and to the integrated modeling platform CRONOS, it is used to compute the stability of electron-driven fishbones using reconstructed data from tokamak experiments. Using the code MIKE with parametric distributions and equilibria, we show that both barely trapped and barely passing electrons resonate with the mode and can drive it unstable. More deeply trapped and passing electrons have a non-resonant effect on the mode that is, respectively, stabilizing and destabilizing. MIKE simulations using complete ECRH-like distribution functions show that energetic barely passing electrons can contribute to drive a mode unstable at a relatively low frequency. This observation could provide some insight to the understanding of Tore Supra experiments. (author)

Abstract (French)

La stabilite des modes magneto-hydrodynamiques dans les plasmas de tokamaks est modifiee par la presence de particules rapides. Dans un tokamak tel qu'ITER ces particules rapides peuvent etre soit les particules alpha creees par les reactions de fusion, soit les ions et electrons acceleres par les dispositifs de chauffage additionnel et de generation de courant. Les modes appeles fishbones electroniques correspondent a la destabilisation du mode de kink interne due a la resonance avec le lent mouvement de precession toroidale des electrons rapides. Ces modes sont frequemment observes dans les plasmas des tokamaks actuels en presence de chauffage par onde cyclotronique electronique (ECRH) ou de generation de courant par onde hybride basse (LHCD). La stabilite de ces modes est particulierement sensible aux details de la fonction de distribution electronique et du facteur de securite, ce qui fait des fishbones electroniques un excellent candidat pour tester la theorie lineaire des instabilites liees aux particules rapides. Dans le tokamak Tore Supra, des fishbones electroniques sont couramment observes lors de decharges ou l'utilisation de l'onde hybride basse cree une importante queue de particules rapides dans la fonction de distribution electronique. Bien que ces modes soit clairement lies a la presence de particules rapides, la frequence observee de ces modes est plus basse que celle prevue par la theorie. En effet, si on estime l'energie des electrons resonants en faisant correspondre la frequence du mode avec la frequence de precession toroidale des electrons faiblement pieges, on obtient une valeur comparable a celle des electrons thermiques. L'objet principal de cette these est l'analyse lineaire de la stabilite des fishbones electroniques. La relation de dispersion de ces modes est derivee et la forme obtenue prend en compte, dans la condition de resonance, la contribution du mouvement parallele des particules passantes. Cette relation de dispersion est implementee dans le code MIKE qui est ensuite teste avec succes en utilisant des fonctions de distributions analytiques. En le couplant au code Fokker-Planck relativiste LUKE et a la plate-forme de simulation integree CRONOS, MIKE peut estimer la stabilite des fishbones electroniques en utilisant les donnees reconstruites de l'experience. En utilisant des fonctions de distributions et des equilibres analytiques dans le code MIKE nous montrons que les electrons faiblement pieges ou faiblement passants peuvent destabiliser le mode de kink interne en resonant avec lui. Si l'on s'eloigne de la frontiere entre electrons passants et pieges, les effets resonants s'affaiblissent. Cependant les electrons passants conservent une influence destabilisante alors que les electrons piegees tendent a stabiliser le mode. D'autres simulations avec MIKE, utilisant cette fois des distributions completes similaires a celles obtenues en presence de chauffage de type ECRH, montrent que l'interaction avec les electrons faiblement passants peut entrainer une destabilisation du mode a une frequence relativement basse ce qui pourrait permettre d'expliquer les observations sur le tokamak Tore Supra. (l'auteur)

Files

50054833.pdf

Files (4.1 MB)

Name Size Download all
md5:6a292ce16b7321bfcdebaae147532ed5
4.1 MB Preview Download

Additional details

Additional titles

Original title (English)
Stabilite et proprietes des fishbones electroniques dans les plasmas de tokamak / Stabilite et proprietes du mode fishbone induit par les electrons dans les tokamaks

Publishing Information

Imprint Pagination
168 p.
Report number
FRCEA-TH--3707

Optional Information

Notes
87 refs.; Available from the INIS Liaison Officer for France, see the INIS website for current contact and E-mail addresses; Also available from Bibliotheque Centrale de l'Ecole Polytechnique, Route de Saclay, 91128 Palaiseau (France)