Fast Ions in Fusion Plasmas – Towards Numerical Tokamaks

Abstract

Constructing a fusion device is a complicated, expensive, and time-consuming enterprise. To avoid costly errors in the design and operation of such a device, sophisticated predictive modelling is needed. To that end, there are several on-going projects striving towards the ambitious goal of building a numerical tokamak; i.e., a set of numerical tools that could be used to simulate the evolution of the fusion plasma through an entire discharge. In a fusion device, fast ions are born in fusion reactions. They also arise from acceleration of thermal particles using electromagnetic waves, and from injection of energetic neutrals that are ionized promptly upon entering the plasma. Fast ions are crucial for heating the plasma but they are also used for driving toroidal rotation and current. In addition, if the fast ions escape the plasma, they can pose a threat to the first walls of the device. Therefore, tools for modelling the fast ions are an integral part of any numerical tokamak. In this work, development and applications of two fast ion modelling tools, the beamlet-based neutral beam injection code BBNBI and the particle-following Monte Carlo code ASCOT, are presented. The former simulates the injection and the ionization of a neutral beam, whereas the latter models the motion and the slowing-down of fast ions in the plasma. The validity of BBNBI and ASCOT is confirmed by benchmarking them against other established neutral beam codes in Joint European Torus (JET) and ASDEX Upgrade (AUG) plasmas. The codes are then utilized to investigate (i) the losses of neutral beam injected (NBI) ions due to in-vessel coil induced magnetic perturbations in AUG, (ii) the distribution function of NBI ions in ITER, and (iii) the behaviour of fusion-born alpha particles in JET advanced scenario plasmas. Finally, the two numerical tokamak constructions into which BBNBI and ASCOT have been incorporated are introduced. While both BBNBI and ASCOT are widely used in JET Integrated Transport Code (JINTRAC), the first results utilizing them within the EFDA Integrated Tokamak Modelling (ITM) framework are presented here. The importance of orbit width effects is highlighted in a benchmark between different fast ion tools on the ITM framework. A study charting the capability of neutral beams to drive current in a future Demonstration Power Plant (DEMO) proves that BBNBI and ASCOT are capable of flexible and sophisticated modelling of NBI on the ITM framework.

Fuusiokoelaitteen rakentaminen on monimutkainen, kallis ja aikaa vievä projekti. Laitteen kattava ennakoiva mallintaminen on edellytys sen suunnittelulle ja sujuvalle käytölle. Tätä tarkoitusta varten on kehitteillä lukuisia numeerisia tokamakeja, eli laskennallisten työkalujen kokoelmia, joiden kunnianhimoisena tavoitteena on kyetä mallintamaan plasman käytös purkauksen alusta loppuun. Fuusiokoelaitteessa nopeat ionit syntyvät fuusioreaktiossa, radiotaajuuskuumennuksen seurauksena, tai neutraalisuihkuhiukkasten ionisoituessa niiden saapuessa plasmaan. Nämä nopeat ionit ovat erittäin tärkeitä plasman kuumennuksen kannalta, mutta niitä käytetään myös pyörittämään plasmaa toroidaalisesti sekä ajamaan virtaa. Mikäli nopeat ionit karkaavat plasmasta, ne voivat vahingoittaa laitteen ensiseinämää. Näin ollen, nopeiden ionien käyttäytymistä mallintavat työkalut ovat tärkeä osa jokaista numeerista tokamakia. Tässä työssä kuvataan kahden nopeita ioneja mallintavan työkalun, BBNBI:n ja ASCOT:in, kehitystä ja niiden avulla saavutettuja tutkimustuloksia. BBNBI mallintaa neutraalisuihkun injektiota ja ionisoitumista, kun taas ASCOT seuraa nopeiden ionien liikettä ja hidastumista plasmassa Monte Carlo menetelmää käyttäen. Näiden kahden työkalun tulosten oikeellisuus varmistetaan vertaamalla niitä muihin neutraalisuihkuja mallintaviin koodeihin Joint European Torus:n (JET) and ASDEX Upgrade:n (AUG) plasmoissa. Tämän jälkeen niitä apuna käyttäen tutkitaan (i) ulkoisten magneettisten häiriöiden aiheuttamia neutraalisuihkuhiukkasten häviöitä AUG:ssa, (ii) neutraalisuihkuhiukkasten jakaumaa ITER:ssä ja (iii) fuusioalfojen käyttäytymistä JET:n optimoiduissa plasmoissa. Lopuksi esitellään kaksi numeeriseen tokamakiin tähtäävää rakennelmaa joihin BBNBI ja ASCOT on liitetty. Sekä BBNBI:tä että ASCOT:ia hyödynnetään laajasti JET Integrated Transport Code:n (JINTRAC) osina, mutta tässä työssä esitetään ensimmäiset tulokset niiden käytöstä EFDA Integrated Tokamak Modelling (ITM) alustalla. Hiukkasten radanleveyden mallintamisen tärkeys nousee esille vertailtaessa erilaisten nopeita hiukkasia mallintavien työkalujen tuloksia. Neutraalisuihkujen virranajonkyvyn tutkimus suunnitteilla olevassa Esittelyvoimalassa (DEMO) puolestaan osoittaa että BBNBI ja ASCOT kykenevät mallintamaan neutraalisuihkuja joustavasti ja yksityiskohtaisesti ITM alustalla.