Transport studies in view of predicting the DTT tokamak scenarios

This thesis investigates transport in magnetically confined plasmas, focusing on operational scenarios for the Divertor Tokamak Test (DTT), under construction in Italy and dedicated to the study of power exhaust. The research is divided into three main activities: 1) predictive simulations of core transport in full-power DTT scenarios with different fuelling strategies; 2) experimental analysis and modelling of negative triangularity plasmas in ASDEX Upgrade (AUG) with same shapes foreseen for DTT; 3) first-principle transport predictions for negative triangularity plasmas in future DTT configurations. In Chapter 5, integrated transport simulations are performed for the DTT full-power scenario in positive triangularity (PT), evaluating two fuelling strategies: gas puffing and pellet injection, in combination with various Electron Cyclotron Resonance Heating (ECRH) configurations. The simulations show that the gas puffing needed to maintain the desired density level exceeds the feasibility limits of the pumping system. Pellet injection is then required to sustain the core plasma density and achieve the desired confinement with realistic parameters of the DTT pellet injector. The study further reveals that the location of ECRH power deposition is critical when pellets are used. When the power is concentrated in the plasma core, Trapped Electron Modes (TEM) dominance is found, which leads to an outward particle flux and a hollow density profile. Spread ECRH deposition, instead, results in peaked density and smoother temperature profiles but slightly reduced performance. These findings highlight the necessity of fine-tuning the balance between heating and pellet injection to maintain optimal plasma conditions in highperformance DTT scenarios. Chapter 6 presents experimental studies and numerical modelling of negative triangularity plasmas (δ < 0) in ASDEX Upgrade in view of DTT operations, focusing on plasmas heated with ECRH and Neutral Beam Injection (NBI). Experimental results demonstrate that negative triangularity plasmas exhibit improved confinement in the region between 0.7 < ρtor < 0.9 and avoid the occurrence of dangerous type-I ELMs, a common issue in high-performance H-mode plasmas. AUG NT plasmas remain in L-mode or access weak H-modes while maintaining comparable core performance to positive triangularity plasmas. Numerical transport predictions confirm that negative triangularity reduces turbulent transport mainly at the edge, leading to a better overall performance. The results suggest that NT plasmas are promising candidates for future DTT operations to mitigate or completely avoid ELMs and maintain high confinement performance. In Chapter 7, first-principle transport simulations explore two negative triangularity configurations for the DTT facility: a Low-Delta and a High-Delta shape. The Low-Delta configuration, characterised by moderate triangularity, showed reduced but still good performance compared to the full-power PT reference. However, the newly designed High-Delta configuration, with a more pronounced triangularity at the top but reduced plasma volume, demonstrated better overall performance. The simulations predict that the higher triangularity at the top in the High- Delta scenario could suppress turbulence more effectively and increase the scenario performance without the significant losses due to ELM crashes. These findings suggest that negative triangularity, particularly in the High-Delta configuration, could offer significant advantages for future DTT operations by balancing improved confinement, stability, and absence of ELMs. Overall, this thesis provides critical insights into the optimisation of plasma transport and confinement strategies for DTT and in general for fusion reactors.

Questa tesi indaga il trasporto nei plasmi confinati magneticamente, concentrandosi sugli scenari operativi per il Divertor Tokamak Test (DTT), in costruzione in Italia e dedicato allo studio dello scarico di potenza. La ricerca è suddivisa in tre attività principali: 1) simulazioni predittive del trasporto nel core in scenari DTT a piena potenza con diverse strategie di alimentazione; 2) analisi sperimentale e modellizzazione di plasmi con triangolarità negativa in ASDEX Upgrade (AUG) con le stesse forme previste per il DTT; 3) previsioni del trasporto basate su principi primi per plasmi con triangolarità negativa nelle future configurazioni del DTT. Nel Capitolo 5, vengono eseguite simulazioni integrate del trasporto per lo scenario a piena potenza di DTT con triangolarità positiva (PT), valutando due strategie di fuelling: puffing di gas e iniezione di pellet, in combinazione con varie configurazioni di riscaldamento a risonanza ciclotronica elettronica (ECRH). Le simulazioni mostrano che la quantità di puffing di gas necessaria per mantenere il livello di densità desiderato supera i limiti di fattibilità del sistema di pompaggio. L'iniezione di pellet è quindi necessaria per sostenere la densità del plasma nel core e ottenere il confinamento desiderato con parametri realistici per l'iniettore di pellet del DTT. Lo studio rivela inoltre che la posizione della deposizione della potenza ECRH è cruciale quando vengono utilizzati i pellet. Quando la potenza è concentrata nel core del plasma, si riscontra la dominanza delle modalità elettroniche intrappolate (TEM), che porta a un flusso di particelle verso l'esterno e a un profilo di densità vuoto. La deposizione ECRH diffusa, invece, risulta in profili di densità più concentrati e profili di temperatura più uniformi, ma con una leggera riduzione delle prestazioni. Questi risultati evidenziano la necessità di un buon bilanciamento tra riscaldamento e iniezione di pellet per mantenere condizioni ottimali del plasma in scenari DTT ad alte prestazioni. Il Capitolo 6 presenta studi sperimentali e modellizzazione numerica di plasmi con triangolarità negativa (δ < 0) in ASDEX Upgrade in vista delle operazioni di DTT, concentrandosi su plasmi riscaldati con ECRH e iniezione di fasci neutri (NBI). I risultati sperimentali dimostrano che i plasmi con triangolarità negativa mostrano un miglioramento del confinamento nella regione compresa tra 0.7 < ρtor < 0.9 ed evitano l'insorgere di pericolosi ELMs di tipo-I, un problema comune nei plasmi H-mode ad alte prestazioni. I plasmi NT di AUG rimangono in L-mode o accedono a H-mode deboli, mantenendo prestazioni del core comparabili a quelle dei plasmi con triangolarità positiva. Le previsioni numeriche del trasporto confermano che la triangolarità negativa riduce il trasporto turbolento principalmente ai bordi, portando a una migliore performance complessiva. I risultati suggeriscono che i plasmi NT siano candidati promettenti per le future operazioni del DTT, poiché potrebbero mitigare o evitare completamente gli ELMs mantenendo alte prestazioni di confinamento. Nel Capitolo 7, simulazioni del trasporto basate su principi primi esplorano due configurazioni di triangolarità negativa per la struttura DTT: una configurazione a basso delta e una ad alto delta. La configurazione a basso delta, caratterizzata da una triangolarità moderata, ha mostrato prestazioni ridotte ma comunque buone rispetto al riferimento PT a piena potenza. Tuttavia, la nuova configurazione ad alto delta, con una triangolarità più pronunciata nella parte superiore ma con un volume di plasma ridotto, ha dimostrato prestazioni complessivamente migliori. Le simulazioni prevedono che la maggiore triangolarità negativa nella parte superiore nella configurazione ad alto delta potrebbe sopprimere la turbolenza in modo più efficace e aumentare le prestazioni dello scenario senza le perdite significative dovute agli ELMs.