Development and implementation of a tracking model for MARFE detection in TCV plasmas

Safe plasma operation in next-generation tokamaks, such as ITER and DEMO, requires the early identification of edge instabilities, including the Multifaceted Asymmetric Radiation From the Edge (MARFE), which is often associated with disruption-prone scenarios and strong radiative collapse. This thesis develops and validates a quantitative and automated method for the spatiotemporal tracking of MARFE-like radiative thermal instabilities in the TCV tokamak. Starting from a generic tracking model developed on synthetic data, the algorithm is adapted to the real geometry of TCV and integrated with visible imaging data acquired by the operational cameras. The methodology treats the MARFE as a trackable extended object, with the aim of continuously reconstructing its position and dynamical evolution. The main originality of the contribution lies in the systematic cross-validation of image-based tracking against independent tomographic reconstructions of radiation, used as a quantitative reference to assess tracking accuracy. The results show good agreement between the estimated trajectories and the dynamics of tomographically reconstructed radiative fronts in several TCV discharges. The proposed method provides a new diagnostic tool for edge plasma studies and lays the groundwork for future near real-time edge monitoring and control applications.

La gestione sicura del plasma nei tokamak di nuova generazione, come ITER e DEMO, richiede l’identificazione precoce delle instabilità di bordo, tra cui il Multifaceted Asymmetric Radiation From the Edge (MARFE), spesso associato a scenari disruption-prone e a un forte collasso radiativo. Questa tesi sviluppa e valida un metodo quantitativo e automatizzato per il tracciamento spazio-temporale di instabilità termiche radiative di tipo MARFE nel tokamak TCV. A partire da un modello di tracking generico sviluppato su dati sintetici, l’algoritmo è stato adattato alla geometria reale di TCV e integrato con dati di imaging nel visibile provenienti dalle camere operative. La metodologia tratta il MARFE come un oggetto esteso tracciabile, con l’obiettivo di ricostruirne in modo continuo posizione ed evoluzione dinamica. L’elemento di originalità principale risiede nella validazione incrociata sistematica del tracking ottenuto dalle immagini con ricostruzioni tomografiche indipendenti della radiazione, utilizzate come riferimento quantitativo per valutarne l’accuratezza. I risultati mostrano un buon accordo tra le traiettorie stimate e la dinamica dei fronti radiativi ricostruiti tomograficamente in diverse scariche di TCV, ponendo le basi per applicazioni future di monitoraggio e controllo del bordo in tempo quasi reale.