Monte Carlo simulation of fast ion losses in ITER in the presence of static 3D magnetic perturbations

Abstract

The confinement of fast ions is of paramount importance for future nuclear fusion reactors, such as ITER. Confined fast ions are needed to heat the plasma into fusion-relevant temperatures, while fast ion losses may compromise the integrity of the vacuum vessel. Fast ions are well confined in an axisymmetric tokamak with a high plasma current, but even small deviations from axisymmetry may lead to localized fast ion losses that may compromise the operation of the machine.

This thesis describes Monte Carlo simulations of fast ion confinement and losses in ITER as well as existing tokamaks. Since fast ions are relatively collisionless, the theory of collisionless orbits of charged particles in tokamak geometry is first discussed. The collisionless orbits are perturbed by the infrequent collisions with the background plasma and by deviations from magnetic axisymmetry, which. To study these orbits in realistic tokamaks, the theory is put into use in the ASCOT code, whose main features are described in the thesis. Finally, as simulations need to be connected with experiments, the most commonly used fast ion diagnostics are described and their connections to simulations discussed.

The results obtained in this thesis are encouraging for the operation of ITER. The ASCOT code has been benchmarked with several fast ion diagnostics as well as other codes, and satisfactory agreement has been found. The predictive modelling of ITER suggests that the toroidal field ripple will induce significant fast ion losses, but it can be effectively mitigated by ferritic inserts. The perturbation due to the magnetization of the ferritic steel in test blanket modules is not seen as a threat to fast ion confinement. The impact of ELM control coils on fast ion losses needs more study, but it seems likely that the plasma will screen the error field inside the pedestal, preventing the high fast ion losses seen in vacuum models.

Nopeiden ionien koossapito on ehdottoman tärkeää tulevissa fuusioreaktoreissa, kuten ITER:ssä. Koossapidetyt nopeat hiukkaset luovuttavat liike-energiaansa plasmaan, kuumentaen sen fuusioon vaadittavaan lämpötilaan, mutta toisaalta koossapidosta paenneet nopeat ionit ovat uhka reaktorikammion eheydelle. Aikaisempi tutkimus on osoittanut että nopeat ionit pysyvät hyvin koossapidettyinä aksiaalisesti symmetrisissä tokamakeissa joissa on korkea plasmavirta, mutta häviävän pienet poikkeamat symmetriasta voivat aiheuttaa paikallisia häviöitä jotka voivat vaarantaa koko reaktorin toiminnan.

Tässä väitöskirjatyössä on tutkittu nopeiden hiukkasten koossapitoa ja häviöitä ITER:ssä sekä olemassaolevissa tokamak-reaktoreissa numeerisen Monte Carlo - mallinnuksen keinoin, joka pohjautuu hiukkasten ratojen seurantaan. Koska nopeat hiukkaset ovat lähes törmäyksettömiä, käydään ensin läpi yhtälöt, jotka kuvaavat törmäyksettömien hiukkasten ratoja aksisymmetrissisä tokamakeissa. Todellisuudessa hiukkaset poikkeavat törmäyksettömiltä radoilta törmäysten sekä magneettisten epäsymmetrioiden takia. Näitä ratoja seurataan ASCOT-koodilla, jonka tärkeimmät ominaisuudet esitellään työn menetelmäosiossa. Simulaatiotulosten validoimiseksi niitä on verrattava olemassaolevissa koelaitteissa saatuihin mittaustuloksiin. Tärkeimmät nopeiden hiukkasten mittalaitteet ja tavat niiden signaalien mallintamiseen käsitellään lopuksi.

Työn tuloksena saadut ennusteet ITER:lle ovat rohkaisevia. ASCOTin antamat tulokset vastaavat hyvin useita nopeiden hiukkasten mittauksia ja riippumattomia mallinnustuloksia olemassaolevilla koelaitteilla. ITERin ennustavat mallinnustulokset osoittavat, että magneettikentän väreily kelaväleissä aiheuttaa suuria nopeien hiukkasten häviöitä, mutta sitä voidaan tehokkaasti vaimentaa ferriittisillä inserteillä. Sen sijaan tritiumin hyötöön käytettävissä moduuleissa olevan ferriittisen teräksen magnetoitumasta aiheutuvat häiriöt eivät vaaranna nopeiden hiukkasten koossapitoa merkittävästi. Reunaplasman epästabiiliuksien ehkäisyyn käytettävien häirökelojen mallinnusta on vielä jatkettava, mutta näyttää todennäköiseltä että niiden aiheuttamat häiriöt vaimenevat reunaplasman sisäpuolella eivätkä aiheuta suuria nopeiden hiukkasten häviöitä.