Development of a numerical tool for the optimization of the injection angle of electron cyclotron waves in TCV

TCV (Tokamak à Configuration Variable) is the tokamak operated at the Swiss Plasma Center (SPC) in Lausanne. Thanks to its high versatility, it allows the study of plasmas under a wide range of different configurations, making it a key facility for international research on nuclear fusion. TCV is equipped with a high-power Electron Cyclotron Resonance Heating \& Current Drive (ECRH-ECCD) system, which enables both plasma heating and non-inductive current drive through the injection of electron cyclotron (EC) waves. Many parameters influence the performance of this system, including the injected power, the wave frequency and the injection angle. EC waves are launched into the plasma by means of antennas equipped with steerable mirrors, which can modify the injection direction during the operation. This thesis focuses on the optimization of the EC wave injection angle, a key parameter that can strongly affect the efficiency of the ECRH system. Currently, the choice of the injection angle at TCV is mainly based on previous experience or on a try-and-error approach. The aim of the work carried out at the Swiss Plasma Center was to develop a numerical tool able to estimate the optimal antennas injection angles for a given scenario, by means of simulations performed using the TORAY ray tracing code. In particular, the optimization was applied to two different objectives: maximizing the fraction of power absorbed by the plasma and maximizing the radio frequency current drive. The practical purpose for this work was to offer to the ECRH operator in the TCV control room a tool capable of providing a first qualitative indication of the most suitable injection angles to adopt for a given experiment, based on the the chosen optimization criterion. In order to validate the tool, experiments on TCV were carried out considering different plasma scenarios. These tests proved that the use of this newly developed tool could be beneficial, especially for plasmas with parameters that change over time. However, while the code provides reliable results in simple scenarios, more physically complex plasma configurations might require an adjustment of the calculated angles, to take into account variables which are not considered by TORAY. The first two chapters of this thesis offer a general overview of nuclear fusion, tokamaks, plasma physics, and wave propagation in plasmas, as well as an introduction to the electron cyclotron resonance heating technique. Chapter 3 describes the main features of the TCV tokamak and its ECRH system, while Chapter 4 focuses on the description of the developed tool and the methodologies used to optimize the microwave injection angles, including a brief overview of the functioning of the codes already present at the Swiss Plasma Center, which have been used for this thesis. A preliminary analysis is presented in Chapter 5, in which a possible misalignment of the ECRH antennas inside the vessel was investigated and quantified. In Chapter 6, the validity of the developed tool is tested through a set of dedicated TCV experiments aimed at maximizing both power deposition and driven current. Finally, Chapter 7 provides a summary of the results and concluding remarks, also introducing possible future developments.

TCV (Tokamak à Configuration Variable) è il tokamak operato dallo Swiss Plasma Center (SPC) di Losanna. Grazie alla sua elevata versatilità, consente lo studio di plasmi in un'ampia gamma di configurazioni diverse, rendendolo una struttura chiave per la ricerca internazionale sulla fusione nucleare. TCV è equipaggiato con un sistema di Electron Cyclotron Resonance Heating & Current Drive (ECRH-ECCD) ad alta potenza, che consente sia il riscaldamento del plasma sia la generazione non induttiva di corrente attraverso l’iniezione di onde electron cyclotron (EC). Numerosi parametri influenzano le prestazioni di questo sistema, tra cui la potenza iniettata, la frequenza dell’onda e l’angolo di iniezione. Le onde EC vengono lanciate nel plasma tramite antenne dotate di specchi orientabili, che possono modificare la direzione di iniezione durante l’operazione. Questa tesi si concentra sull’ottimizzazione dell’angolo di iniezione delle onde EC, un parametro chiave che può influenzare fortemente l’efficienza del sistema ECRH. Attualmente, la scelta dell’angolo di iniezione al TCV si basa principalmente sull’esperienza pregressa o su un approccio di tipo trial-and-error. L’obiettivo del lavoro svolto allo Swiss Plasma Center è stato quello di sviluppare uno strumento numerico in grado di stimare gli angoli di iniezione ottimali delle antenne per un determinato scenario, tramite simulazioni effettuate utilizzando il codice di ray tracing TORAY. In particolare, l’ottimizzazione è stata applicata a due diversi obiettivi: massimizzare la frazione di potenza assorbita dal plasma e massimizzare il radio frequency current drive. Lo scopo pratico di questo lavoro è stato quello di offrire all’operatore ECRH nella sala di controllo del TCV uno strumento capace di fornire una prima indicazione qualitativa degli angoli di iniezione più adatti da adottare per un determinato esperimento, sulla base del criterio di ottimizzazione scelto. Al fine di validare lo strumento, sono stati condotti esperimenti su TCV considerando diversi scenari di plasma. Questi test hanno dimostrato che l’uso di questo nuovo strumento può essere vantaggioso, soprattutto per plasmi con parametri che variano nel tempo. Tuttavia, sebbene il codice fornisca risultati affidabili in scenari semplici, configurazioni di plasma fisicamente più complesse potrebbero richiedere un aggiustamento degli angoli calcolati, per tenere conto di variabili non considerate da TORAY. I primi due capitoli di questa tesi offrono una panoramica generale sulla fusione nucleare, sui tokamak, sulla fisica dei plasmi e sulla propagazione delle onde nei plasmi, oltre a un’introduzione alla tecnica di electron cyclotron resonance heating. Il Capitolo 3 descrive le principali caratteristiche del tokamak TCV e del suo sistema ECRH, mentre il Capitolo 4 si concentra sulla descrizione dello strumento sviluppato e delle metodologie utilizzate per ottimizzare gli angoli di iniezione delle microonde, includendo anche una breve panoramica sul funzionamento dei codici già presenti allo Swiss Plasma Center, che sono stati utilizzati per questa tesi. Nel Capitolo 5 viene presentata un’analisi preliminare, in cui è stato indagato e quantificato un possibile disallineamento delle antenne ECRH all’interno della macchina. Nel Capitolo 6 viene testata la validità dello strumento sviluppato attraverso una serie di esperimenti dedicati su TCV, mirati alla massimizzazione sia della deposizione di potenza che della corrente generata. Infine, il Capitolo 7 fornisce un riassunto dei risultati e le considerazioni conclusive, introducendo anche possibili sviluppi futuri.