Simulating Helium Ash in ITER

Abstract

As energetic alpha particles cool down in fusion plasmas, they become helium ash. This helium ash radiates away energy from the plasma, dilutes the deuterium-tritium fuel mix and, thus, decreases the achievable fusion power. Therefore, its efficient removal from the confined plasma is essential for successful operation of the future fusion test reactor ITER. It is also important to prevent the return of the helium back to the confined plasma after is has been first removed from there.

In this thesis, simulations were made to examine whether magnetic islands, created by external magnetic perturbations (MPs) due to ELM control coils (ECCs), can be used as a transport barrier to prevent helium from the first wall and divertor from returning to the confined plasma. The issue of helium ash as well as past helium experiments are also reviewed in this work. Along the simulated method, two schemes to improve helium ash removal are also presented in this work.

The simulations were carried out with the orbit-following Monte Carlo code ASCOT. Earlier ASCOT-simulations were done mainly for fast ions, so in order to correctly simulate thermal helium ash, ASCOT's numerical integration scheme for stochastic differential equations (SDEs) was updated from the Euler-Maryuama method to the Milstein method. An adaptive time-stepping scheme for stochastic integration was added to the code.

The simulations were done for the ITER baseline scenario and showed that the transport barrier effect of the islands was weak. The MPs furthermore enhanced the losses of deuterium and alpha particles more than the losses of helium.

Fuusioplasmoissa syntyy energeettisten alfa-hiukkasten jäähtymisen seurauksena niin sanottua helium-tuhkaa. Tämä helium-tuhka säteilee pois plasman energiaa ja rajoittaa saatavaa fuusiotehoa. Näistä syistä on tulevan ITER-testireakrorin onnistuneen toiminnan kannalta tärkeää, että helium-tuhka saadaan tehokkaasti poistettua koossapidetystä plasmasta. Jotta heliumin määrä reaktorissa pysyy riittävän alhaisena, on myös ehkäistävä koossapidetystä plasmasta jo poistuneen heliumin paluu sinne.

Tässä työssä tutkittiin, voidaanko helium-tuhkan paluuta reaktorin seinältä koossapidettyyn plasmaan ehkäistä luomalla plasman reunalle magneettisia saaria ulkoisten magneettisten häiriöiden (MP:den) avulla. Työssä myös esitellään helium-tuhkan haittavaikutuksia ja aiempia helium-kokeita. Tutkitun menetelmän lisäksi työssä esitellään kaksi menetelmää heliumin poistamiseksi.

Helium-tuhkaa tutkittiin simulaatioilla. Nämä simulaatiot toteutettiin Monte Carlo radanseurantakoodilla ASCOT. ASCOT-simulaatioita on aiemmin tehty lähinnä nopeille ioneille ja onnistuneiden simulaatioiden takaamiseksi termiselle heliumille ASCOT:n numeerinen integraattori päivitettii Euler-Maryuama -menetelmästä Milsteinin menetelmään. Koodiin myös lisättiin uusi adaptiivinen aika-askellus stokastiselle integroinnille.

Simulaatiot tehtiin ITER:n perusplasmalle ja havaittiin, että magneettiset saaret ehkäisevät heliumin palautumista koossapidettyyn plasmaan vain hyvin heikosti. Lisäksi MP:t huononsivat deuteriumin ja alfa-hiukkasten koossapitoa enemmän kuin heliumin.