Fast ions and momentum transport in JET tokamak plasmas

Abstract

Fast ions are an inseparable part of fusion plasmas. They can be generated using electromagnetic waves or injected into plasmas as neutrals to heat the bulk plasma and to drive toroidal rotation and current. In future power plants fusion born fast ions deliver the main heating into the plasma. Understanding and controlling the fast ions is of crucial importance for the operation of a power plant. Furthermore, fast ions provide ways to probe the properties of the thermal plasma and get insight of its confinement properties. In this thesis, numerical code packages are used and developed to simulate JET experiments for a range of physics issues related to fast ions. Namely, the clamping fast ion distribution at high energies with RF heating, fast ion ripple torque generation and the toroidal momentum transport properties using NBI modulation technique are investigated. Through a comparison of numerical simulations and the JET experimental data it is shown that the finite Larmor radius effects in ion cyclotron resonance heating are important and that they can prevent fast ion tail formation beyond certain energy. The identified mechanism could be used for tailoring the fast ion distribution in future experiments. Secondly, ASCOT simulations of NBI ions in a ripple field showed that most of the reduction of the toroidal rotation that has been observed in the JET enhanced ripple experiments could be attributed to fast ion ripple torque. Finally, fast ion torque calculations together with momentum transport analysis have led to the conclusion that momentum transport in not purely diffusive but that a convective component, which increases monotonically in radius, exists in a wide range of JET plasmas. Using parameter scans, the convective transport has been shown to be insensitive to collisionality and q-profile but to increase strongly against density gradient.

Nopeat ionit ovat erottamaton osa fuusioplasmoja. Niitä voidaan tuottaa sähkömagneettisten aaltojen avulla tai suihkuttamalla ne plasmaan energisinä neutraaleina. Nopeita ioneja käytetään kuumentamaan ja pyörittämään plasmaa, virranajossa sekä plasman ominaisuuksien ja koossapidon tutkimiseen. Tulevaisuuden voimalaitoksissa fuusioreaktioissa syntyvät nopeat ionit toimivat plasman pääasiallisena lämmönlähteenä. Nopeiden ionien ilmiöiden ymmärtäminen ja niiden hallinta ovat tärkeitä fuusiovoimaloiden operoinnin kannalta. Tässä väitöstyössä käytetään ja kehitetään numeerisia laskentaohjelmia selittämään nopeisiin ioneihin liittyviä koetuloksia Englannissa sijaitsevassa fuusiokoelaitoksessa (JET). Tutkimuksen kohteina ovat nopeiden ionien äkillinen väheneminen korkeilla energioilla radiotaajuuskuumennuksen yhteydessä, nopeiden ionien aiheuttama toroidaalinen vääntö magneettikentän ryppyisyyden vaikutuksesta ja liikemäärän kulkeutumisen ominaisuudet moduloituja neutraalisuihkuja käyttäen. Työssä todennettiin simuloinneilla, että ionien äärellinen pyörimissäde selittää kokeellisesti havaitun nopeiden ionien pienen lukumäärän korkeilla energioilla käytettäessä radiotaajuuskuumennusta. JET:n magneettikentän rypytyskokeissa havaitut plasman pyörimisen muutokset voitiin hiukkassimulointien avulla päätellä johtuvan pääasiassa nopeiden ionien synnyttämän väännön takia. Lopulta analyysit liikemäärän kulkeutumisesta useissa erilaisissa plasmoissa osoittivat, että liikemäärän kulkeutuminen ei ole pelkästään diffuusia ja että merkittäväksi osoittautunut koossapitoa parantava ajautumisnopeus kasvaa plasman ulkoreunaa lähestyttäessä. Plasman tiheysgradientin kasvattamisen havaittiin nopeasti kasvattavan ajautumisnopeutta, kun taas törmäyksellisyyden tai q-profiilin muutosten vaikutukset olivat pieniä. Työn tuloksia voidaan hyödyntää ITERin ja tulevien laitosten suunnittelussa ja plasman pyörimisen ennustuksissa.