Fast ion simulations in toroidally asymmetric tokamaks - Model validation with fast ion probes at ASDEX Upgrade and predictive modelling of ITER

Loading...
Thumbnail Image
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
School of Science | Doctoral thesis (article-based) | Defence date: 2016-03-18
Date
2016
Major/Subject
Mcode
Degree programme
Language
en
Pages
94 + app. 56
Series
Aalto University publication series DOCTORAL DISSERTATIONS, 36/2016
Abstract
The world electricity demand is increasing due to the growing global population striving for an ever-improving standard of living. Fusion energy research has the goal of bringing the energy source of the stars to Earth. The leading scheme is to magnetically confine a very hot plasma within a tokamak reactor. This thesis studies the energetic particles produced by the external heating of the plasma and by the fusion reactions themselves. The energetic particles carry a risk of damaging the reactor walls, if they are allowed to escape the plasma. This may occur if the carefully tuned magnetic field is perturbed by, e.g., introducing components made out of ferromagnetic materials to the tokamak. A quantitative study of the confinement of the fast, energetic particles requires careful calculation of the perturbation, followed by detailed simulations of fast ion behaviour with validated tools. In this work, the perturbative effect of the European test blanket modules (TBMs) of ITER were analysed. The TBMs, containing ferromagnetic steel, are needed for testing the technology for breeding tritium fuel from lithium. The magnetisation of the TBMs was computed with the finite element method using a geometry of unprecedented detail. Subsequently, the ASCOT code was used to assess the confinement of neutral beam injected (NBI) deuterons and fusion alpha particles. As the main result, the TBMs were found to be compatible with fast ion confinement requirements, at least in the 15MA Q=10 inductive scenario, the baseline ITER plasma. The fast ion modelling tools were validated with measurements at the ASDEX Upgrade tokamak: the flux of NBI ions was measured with the fast ion loss diagnostics (FILD) and the flux of fusion protons with the activation probe. The ASCOT simulations are in qualitative agreement with FILD measurements. The activation probe facilitated quantitative analysis. This required the development of an adjoint Monte Carlo method for calculating charged particle fluxes to the wall. The new method was used in the fusion proton modelling, the results of which agree quite well with mea- surements even quantitatively. The work presented here affirms the viability of the TBM design. It also validates and expands the fast ion behaviour and diagnostics modelling toolbox.

Maailman kasvavan väestön nouseva elintaso vaatii kasvavassa määrin sähköenergiaa. Tämä väitöskirja on fuusioenergiatutkimuksen alalta, jonka tavoitteena on löytää keino tuottaa sähköä hyödyntäen tähtien energianlähdettä. Tällä hetkellä lupaavin fuusioreaktorikonsepti on tokamak, jossa on erittäin kuumaa plasmaa vangittuna magneettiseen pulloon. Plasman kuumentaminen ja itse fuusioreaktiot tuottavat erityisen korkeaenergisiä hiukkasia, jotka saattavat vahingoittaa tokamakin seiniä, mikäli pääsevät hallitsemattomasti karkaamaan plasmasta. Niin voi esimerkiksi käydä, jos tokamakiin asennetaan ferromagneettista materiaalia sisältäviä komponentteja, jotka häiritsevät hienosäädettyä magneettikenttää. Häiriön vaikutusten arviointi vaatii ensinnäkin häiriön huolellisen laskemisen ja toiseksi energeettisten hiukkasten käytöksen mallinnuksen kelvollisiksi osoitettuja menetelmiä käyttäen. Tässä työssä tutkittiin ferromagneettisesta terästä sisältävän tritiumin hyötämisen testilaitteiston (THTL) aiheuttaman magneettisen häiriön vaikutusta ITER-tokamakissa. Eurooppalaisen THTL:n magnetisaatio laskettiin elementtimenetelmällä, minkä jälkeen neutraalisuihkutettujen deuteronien ja fuusioperäisten α-hiukkasten käytöstä tutkittiin ASCOT ohjelmistolla. Työn keskeinen tulos on, että eurooppalaisen THTL:n ei havaittu heikentävän liiallisesti energeettisten ionien koossapitoa ainakaan ITER in lähtökohtaisessa 15MA Q=10 induktiivisessa skenaariossa. Energeettisten ionien mallinustyökalun kelvollisuus varmistettiin mallintamalla ASDEX Upgrade tokamakilla tehtyjä mittauksia. Fuusioprotoneja mitattiin aktivaatiokoettimella ja neutraalisuihkudeuteroneja FILD -koettimella. ASCOT -tulokset ovat laadullisesti yhtäpitäviä FILD mittauksien kanssa. Aktivaatiokoettimen mallinnus oli jopa määrällisesti yhteensopiva mittausten kanssa, mutta vertailun suorittamiseksi täytyi kehittää adjungoitu Monte Carlo -menetelmä seinälle tulevan hiukkasvuon laskemiseen. Tässä väitöskirjassa esitetty työ vahvistaa luottamusta eurooppalaisen tritiumhyötö-laitteiston kelpoisuuteen. Työn edetessä luotiin uusia energeettisten hiukkasten mallinnustyökaluja ja varmistettiin menetelmien kelvollisuus.
Description
Supervising professor
Groth, Mathias, Prof., Aalto University, Department of Applied Physics, Finland
Thesis advisor
Kurki-Suonio, Taina, PhD., Aalto University, Department of Applied Physics, Finland
Keywords
nuclear fusion, plasma, tokamak, ITER, test blanket module, magnetisation, fast ion, activation probe, FILD, ydinfuusio, plasma, tokamaki, THTL, magnetisaatio, energeettiset ionit, aktivaatio koetin
Other note
Parts
  • [Publication 1]: Simppa Äkäslompolo, Otto Asunta, Thijs Bergmans, Mario Gagliardi, Jose Galabert, Eero Hirvijoki, Taina Kurki-Suonio, Seppo Sipilä, Antti Snicker, and Konsta Särkimäki. Calculating the 3D magnetic field of ITER for European TBM studies. Fusion Engineering and Design, Volume 98-99, Pages 1039-1043, October 2015. arxiv.org/abs/1506.00659,
    DOI: 10.1016/j.fusengdes.2015.05.038 View at publisher
  • [Publication 2]: Simppa Äkäslompolo, Tuomas Koskela and Taina Kurki-Suonio. Biot Savart Law integrator BioSaw. Computer Physics Communicatfions, arxiv.org/abs/1511.01629v1, 5 pages, 2015.
  • [Publication 3]: Simppa Äkäslompolo, Taina Kurki-Suonio, Otto Asunta, Mario Cavinato, Mario Gagliardi, Eero Hirvijoki, Gabriella Saibene, Seppo Sipilä, Antti Snicker, Konsta Särkimäki, and Jari Varje. ITER fast ion confinement in the presence of the European test blanket module. Nuclear Fusion, Volume 55, Number 9, 093010, Pages 1-11, August 2015.
    DOI: 10.1088/0029-5515/55/9/093010 View at publisher
  • [Publication 4]: Otto Asunta, Simppa Äkäslompolo, Taina Kurki-Suonio, Tuomas Koskela, Seppo Sipilä, Antti Snicker, Manuel 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, Volume 52, Number 9, 94014. Pages 1-7, September 2012.
    DOI: 10.1088/0029-5515/52/9/094014 View at publisher
  • [Publication 5]: Simppa Äkäslompolo, Georges Bonheure, Giovanni Tardini, Taina Kurki-Suonio and the ASDEX Upgrade team. Adjoint Monte Carlo simulation of fusion product activation probe experiment in ASDEX Upgrade tokamak. Journal of Instrumentation, volume 10, 10012, Pages 0-9, October 2015.
    DOI: 10.1088/1748-0221/10/10/P10012 View at publisher
Citation