Virrantiheysmallinnus JET- ja JT-60U-tokamakien identiteettiplasmakokeissa

Abstract

Jatkuvatoimisten skenaarioiden kehityksellä on keskeinen asema tähdättäessä kaupalliseen fuusioenergiaan. Varmuustekijän q aikakehitys on yhteydessä kokonaisplasmavirtaan ja plasman koossapitoon. Identiteettikokeissa tutkitaan kahta samankokoisen tokamak-laitteen toimintaa, kun plasmaparametrit on pyritty asettamaan mahdollisimman tarkasti toisiaan vastaaviksi. Ensimmäiset identiteettikokeet jatkuvatoimisissa skenaarioissa tehtiin vuonna 2008 maailman suurimmilla JET- ja JT-60U tokamakeilla. Tässä työssä aiempaa data-analyysiä on laajennettu prediktiivisillä virtadiffuusiosimulaatioilla käyttäen 1,5-dimensioista JETTO-kuljetusyhtälökoodia. Päätavoitteena työssä on löytää tärkeimmät syyt varmuustekijän ja plasmavirtakomponettien erilaiselle aikakehitykselle plasman ominaisuuksien ollessa mahdollisimman samankaltaisia. Plasmapulssien väliset erot (elektronitiheys ja neutraalihiukkasvirrantiheysprofiilin muoto) on selvitetty ja virtadiffuusion lähdetermien (neutraalihiukkasvirrantiheys ja sisäsyntyinen bootstrap-virrantiheys) vaikutusta tutkittu. Teoriaosuudessa on esitetty plasmavirrandiffuusioyhtälö ja johdettu neoklassisen sisäsyntyisen virran syntyä kuvaava lineaarinen approksimaatio. Kulkeutumisilmiöiden, plasman tasapainon ja neutraalihiukkasvirran mallintamiseen käytettyjen koodien pääperiaatteet on selostettu. Voimakkaan tiheysgradientin ja ulkoisten virrantiheyskomponenttien kuten mahdollisen alahybridiaaltovirran vaikutuksia on testattu. Tämän lisäksi on johdettu matemaattinen transitioehto induktiivisesta H-moodista jatkuvatoimiseen tilaan ja ehdon toteutumista on analysoitu simuloiduissa tapauksissa. Analyysin perusteella tiheysgradientilla on merkittävin rooli plasmavirran ja q:n erilaisessa aikakehityksessä mutta sen sijaan neutraalihiukkasvirrantiheyden merkitys on vähäinen. JETissä yhtä suuren bootstrap-virtaosuuden tuottamiseen tarvitaan suurempi tiheysgradientti kuin JT-60U:ssa. Tällöin stationaarisen virrantiheysprofiilin ja q:n saavuttaminen vaatii suuremman painegradientin. Kriittistä bootstrap-virrantiheyttä on analysoitu simuloiduissa tapauksissa, mutta transition kaltaisen ilmiön olemassaoloa ei ole kokeellisesti todistettu. Karkea approksimaatio ilman erillisiä lämpötila- ja tiheysgradientteja ei mahdollisesti anna vertailukelpoisia tuloksia kokeellisesti havaitun neoklassisen bootstrap-virran kanssa. Tästä syytä kriittisen bootstrap-virrantiheyden tarkempi analyysi vaatii korjaustermin lisäämistä kriittisen bootstrap-virrantiheyden lausekkeeseen. Syytä tiheysprofiilin erilaiselle muodolle ei ole selvitetty näissä virtadiffuusiosimulaatioissa. Tätä voidaan tutkia laajentamalla analyysia prediktiivisillä lämpötila- ja tiheyssimulaatioilla.

The advanced tokamak scenarios have an important role in aiming to the steady-state operated fusion reactor. Time evolution of the safety factor q is connected to the total plasma current and confinement. In identity plasma experiments, two same-size tokamaks with similar plasma parameters are studied. Experiments in JET and JT-60U in 2008 were the first identity experiments on the largest operating tokamak devices in advanced scenarios. In this thesis, the previous data analysis has been extended with predictive current diffusion simulations by the 1.5-dimensional JETTO transport code. The main objectives are to find the most significant reasons for the different time evolution of q and plasma current density components under the similarity conditions. Different properties (electron density and the shape of neutral beam current density profile) between the shots are characterised and the effect of the source terms (neutral beam driven current and internally generated bootstrap current) of current diffusion are also studied. In the theoretical part, current diffusion equation and the linear approximation of the generation of the bootstrap current are derived. The principles of the used codes for modelling of the transport effects, plasma equilibrium and NBI current are presented. Intensity of the effect of steeper density or temperature gradients and added external current components are quantified. In addition, the condition for the transition from the inductive H-mode to the steady-state operation is derived and the simulated cases are analysed. Based on this analysis, the density gradient has the most important role in the different time evolution of the total plasma current density and q. Instead, the effect of the neutral beam current density is negligible. In JET, generating as a large bootstrap current fraction as in JT-60U requires a larger density gradient. A smaller fraction is not caused only larger total plasma current but also the weaker effect of the density gradient. In JET, retaining the steady-state q and current density profile requires a larger total pressure gradient than in JT-60U. The critical bootstrap current density is studied for simulated cases but the experimental evidence of this transition-like effect has not been given. The quite rough approximation without the different gradients of electron and ion temperature and density does not possibly give the results which have been comparable with the experimental neoclassical bootstrap current. For this reason, some kind of a correction for the critical bootstrap current density is needed for the analysis with a higher accuracy. The reason for the different density peaking is not clarified by these current diffusion simulations. For this, predictive temperature and density simulations are required, which will be the first extended part of the forthcoming work.