Simulation of neutral particle fluxes from fast ions in the JET tokamak

Abstract

Neutral particle analysis (NPA) is a diagnostic method for measuring neutral particle fluxes resulting from charge exchange reactions between neutrals and ions in tokamak plasmas. The neutral atoms can escape the plasma, directly conveying information on the density and temperature of the initial ions. This piece of information in turn is crucial for the upcoming JET D-T campaign as well as eventual fusion reactor operation, where precise control of the ratio of different fuel isotopes is required.

The measured neutral particle fluxes are, however, distorted by energetic particles such as those resulting from neutral beam injection (NBI) heating. The fluxes from the slowing down beam ions mask the signal from the bulk plasma. This complicates analysis of the main plasma ions, while at the same time providing an opportunity to diagnose the injected ions themselves. This can be used to infer properties of the NBI ion distribution as well as determine possible residual isotopic composition of the beams.

In this thesis, the fast ion orbit following code ASCOT, together with other plasma codes available within the JET modelling suite, were used for predictive and interpretive modelling of the distribution and neutral flux of NBI ions in the JET tokamak. The NPA signal was found to be highly dependent on factors such as neutral particle distribution, plasma density and heating scheme, necessitating detailed numerical modelling.

Fuusioplasman polttoaineiden seossuhteen määrittäminen ja hallinta on keskeistä tulevaisuuden fuusioreaktoreille. Neutraalien hiukkasten analysointi (neutral particle analysis, NPA) on diagnostiikkamenetelmä, jossa mitataan tokamak-reaktorin plasman emittoimien atomien vuota. Koska nämä hiukkaset ovat varauksettomia, ne voivat paeta tokamakin koossapitävästä magneettikentästä, ja mitatun vuon avulla voidaan määrittää plasman koostumus.

Suurienergiset hiukkaset, kuten plasman kuumentamiseen käytettävistä neutraalisuihkuista (neutral beam injection, NBI) syntyvät ionit, voivat hidastuessaan vääristää plasman varauksettomien hiukkasten vuota. Tämä vaikeuttaa plasman termisten polttoaineionien mittaamista, mutta toisaalta mahdollistaa itse neutraalisuihkujen tuottaman nopeiden ionien jakauman ja koostumuksen diagnosoinnin.

Tässä diplomityössä suurienergisten hiukkasten radanseurantakoodia ASCOTia sekä joukkoa muita plasmasimulaatiokoodeja käytettiin sekä tulkitseviin että ennustaviin NBI-hiukkasten NPA-simulaatioihin JET-tokamakissa. NPA-signaalin havaittiin riippuvan voimakkaasti neutraalien hiukkasten jakaumasta, plasman tiheydestä sekä käytetystä kuumennusmenetelmästä.