Modelling charge exchange losses of beam ions in the MAST-U spherical tokamak

Abstract

Charge exchange (CX) reactions neutralize ions in fusion plasmas, allowing the particles to escape the magnetic confinement. This is of particular concern in the case of energetic ions, such as those born in neutral beam injection. CX causes loss of particles and energy from the confined plasma, and leads to heat loads on material surfaces in the fusion device.

Through this work, the established Monte Carlo orbit-following code ASCOT, which simulates minority particles in fusion devices, was outfitted with a new atomic reactions module. The present implementation is limited to simulating reactions of hydrogen isotopes. Fundamental cross-sections are used to model neutralizing CX of ions of arbitrary energies. Reionization is included using accurate beam stopping coefficients. Reaction data from the ADAS database and other sources can be used.

ASCOT, with its new CX capability, was used to model beam ions in a high-density target scenario of the spherical tokamak MAST-U. An estimated 10 % of beam power was lost through CX. The majority of CX neutralizations were found to take place just outside the confined plasma, where the neutral density is relatively high. This effect is enhanced by the large gyroradii associated with the particularly weak magnetic field on the outboard side of the torus, typical for spherical tokamaks. The wall deposition is concentrated around the outer midplane, because of the beam ion orbit topologies.

The novel ASCOT CX model was also benchmarked against the transport code TRANSP, which has been used for predictive modelling of MAST-U. The codes agree regarding rates of neutralization due to CX and reionization in the core plasma, and on the order of the total loss of beam power. However, there is discrepancy closer to the plasma edge, and TRANSP predicts almost twice as high total power loss. The disagreement is postulated to result from different treatment of CX neutralizations occurring outside the confined plasma.

Laddningsutbytesreaktioner i fusionsplasma neutraliserar joner, varvid partiklarna kan rymma ur den magnetiska inneslutningen. Detta är av särskild vikt för energetiska joner, till exempel de från neutralstråleinjektion. Laddningsutbyte förorsakar partikel- och energiförluster samt värmebelastning på olika materialytor i fusionsmaskinen.

Den etablerade Monte Carlo -koden ASCOT som följer partikelbanor och används vid simulering av minoritetspartiklar i fusionsmaskiner har utrustats med en ny modul för atomära processer. Den nuvarande implementeringen är begränsad till simulering av väteisotoper. Fundamentala tvärsnitt används för att simulera ett neutraliserande laddningsutbyte hos joner med godtyckliga energier. Sannolikheten för återjonisering beräknas med hjälp av noggranna effektiva tvärsnitt vilka optimerats för jonisering av neutralstrålar. Sannolikhetsdata importeras från ADAS-databasen eller andra källor.

ASCOT användes för att simulera laddningsutbyte hos stråljoner i ett scenario som antar hög plasmadensitet i den sfäriska tokamaken MAST-U. Uppskattningsvis 10 % av neutralstrålens effekt förloras genom laddningsutbyte. Majoriteten av neutraliseringarna visade sig äga rum utanför det inneslutna plasmat, på grund av den relativt höga densiteten av neutrala partiklar där. Detta fenomen förstärks av de stora gyroradierna i det särskilt svaga magnetfältet vid yttre kanten av torusen, vilket är typiskt för en sfärisk tokamak. På grund av stråljonernas bantopologier koncentreras belastningen på väggarna till yttre väggen, omkring mittplanet.

Den nya modellen för laddningsutbyte i ASCOT jämfördes med den etablerade transportkoden TRANSP, som använts för prediktiva simuleringar i MAST-U. Koderna ger liknande resultat för mängden neutraliseringar genom laddningsutbyte och återjoniseringar i kärnplasmat samt för storleksordningen hos den totala förlusten av stråleffekt. Det uppstår dock avvikelser närmare plasmats kant, och TRANSP förutspår nästan dubbelt så hög total förlust. Skillnaderna tros bero på olika behandling av neutraliseringar som sker utanför plasmat.