Fast Ions in Fusion Plasmas – Towards Numerical Tokamaks

 |  Login

Show simple item record

dc.contributor Aalto-yliopisto fi
dc.contributor Aalto University en
dc.contributor.advisor Kurki-Suonio, Taina, Dr., Aalto University, Department of Applied Physics, Finland
dc.contributor.author Asunta, Otto
dc.date.accessioned 2015-02-24T10:00:28Z
dc.date.available 2015-02-24T10:00:28Z
dc.date.issued 2015
dc.identifier.isbn 978-952-60-6097-2 (electronic)
dc.identifier.isbn 978-952-60-6096-5 (printed)
dc.identifier.issn 1799-4942 (electronic)
dc.identifier.issn 1799-4934 (printed)
dc.identifier.issn 1799-4934 (ISSN-L)
dc.identifier.uri https://aaltodoc.aalto.fi/handle/123456789/15237
dc.description.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. en
dc.description.abstract 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. fi
dc.format.extent 98 + app. 57
dc.format.mimetype application/pdf en
dc.language.iso en en
dc.publisher Aalto University en
dc.publisher Aalto-yliopisto fi
dc.relation.ispartofseries Aalto University publication series DOCTORAL DISSERTATIONS en
dc.relation.ispartofseries 24/2015
dc.relation.haspart [Publication 1]: O. Asunta, J. Govenius, R. Budny, G. Tardini, M. Gorelenkova, T. Koskela, T. Kurki-Suonio, A. Salmi, and S. Sipilä. Modelling neutral beams in fusion devices: Beamlet-based model for fast particle simulations. Computer Physics Communications, 188, 33–46, 2015. DOI: 10.1016/j.cpc.2014.10.024
dc.relation.haspart [Publication 2]: O. Asunta, S. Äkäslompolo, T. Kurki-Suonio, T. Koskela, S. Sipilä, A. Snicker, M. García-Muñoz, and the ASDEX Upgrade team. Simulations of fast ion wall loads in ASDEX Upgrade in the presence of magnetic perturbations due to ELM-mitigation coils. Nuclear Fusion, 52, 094014, 2012. DOI: 10.1088/0029-5515/52/9/094014
dc.relation.haspart [Publication 3]: O. Asunta, T. Kurki-Suonio, T. Tala, S. Sipilä, R. Salomaa, and JETEFDA contributors. Comparison of Fusion Alpha Performance in JET Advanced Scenario and H-mode Plasmas. Plasma Physics and Controlled Fusion, 50, 125008, 2008. DOI: 10.1088/0741-3335/50/12/125008
dc.relation.haspart [Publication 4]: M. Salewski, O. Asunta, L.-G. Eriksson, H. Bindslev, V. Hynönen, S.B. Korsholm, T. Kurki-Suonio, F. Leipold, F. Meo, P.K. Michelsen, S.K. Nielsen, and J. Roenby. Comparison of collective Thomson scattering signals due to fast ions in ITER scenarios with fusion and auxiliary heating. Plasma Physics and Controlled Fusion, 51, 035006, 2009. DOI: 10.1088/0741-3335/51/3/035006
dc.subject.other Energy en
dc.subject.other Physics en
dc.title Fast Ions in Fusion Plasmas – Towards Numerical Tokamaks en
dc.title Nopeat Hiukkaset Fuusioplasmoissa – Kohti Numeerisia Tokamakeja fi
dc.type G5 Artikkeliväitöskirja fi
dc.contributor.school Perustieteiden korkeakoulu fi
dc.contributor.school School of Science en
dc.contributor.department Teknillisen fysiikan laitos fi
dc.contributor.department Department of Applied Physics en
dc.subject.keyword fusion en
dc.subject.keyword tokamak en
dc.subject.keyword integrated modelling en
dc.subject.keyword fast ions en
dc.subject.keyword neutral beam injection en
dc.subject.keyword fuusio fi
dc.subject.keyword integroitu mallinnus fi
dc.subject.keyword nopeat hiukkaset fi
dc.subject.keyword neutraalisuihkukuumennus fi
dc.identifier.urn URN:ISBN:978-952-60-6097-2
dc.type.dcmitype text en
dc.type.ontasot Doctoral dissertation (article-based) en
dc.type.ontasot Väitöskirja (artikkeli) fi
dc.contributor.supervisor Groth, Mathias, Prof., Aalto University, Department of Applied Physics, Finland
dc.opn Yavorskij, Viktor, Dr., University of Innsbruck, Austria
dc.contributor.lab Fusion and Plasma Physics en
dc.rev Dumont, Remi, Dr., CEA Cadarache, France
dc.rev Cooper, Wilfred, Dr., EPFL, Lausanne, Switzerland
dc.date.defence 2015-03-06


Files in this item

This item appears in the following Collection(s)

Show simple item record

Search archive


Advanced Search

article-iconSubmit a publication

Browse

My Account