Modelling of global impurity transport in tokamaks in the presence of non-axisymmetric effects

Loading...
Thumbnail Image
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
School of Science | Doctoral thesis (article-based) | Defence date: 2015-05-29
Checking the digitized thesis and permission for publishing
Instructions for the author
Date
2015
Major/Subject
Mcode
Degree programme
Language
en
Pages
90 + app. 34
Series
Aalto University publication series DOCTORAL DISSERTATIONS, 61/2015
Abstract
Understanding and control of plasma-surf ace interaction together with the subsequent migration of eroded impurity particles form one of the key challenges for reactor-scale magnetic confinement fusion devices such as tokamaks. An aspect of impurity migration that requires further investigation is the influence of non-axisymmetric (3D) features of tokamaks.  In this work, global impurity transport is simulated in the ASDEX Upgrade and JET tokamaks with the Monte Carlo orbit-following code ASCOT. The simulations address experiments conducted on these devices, using tracer impurities injected into the plasma in a gaseous form, and via special wall tiles installed into the torus. The presented simulations are carried out in a realistic tokamak environment with an unrestricted computational domain and employing 3D descriptions of the wall geometry and the magnetic field.  According to the ASCOT predictions, accounting for the non-axisymmetric wall geometry can be crucial in interpreting the experimentally measured tracer deposition profiles. In particular, studies of ASDEX Upgrade indicate that the impurity deposition pattern on plasma-facing surfaces can exhibit substantial asymmetry in the toroidal direction due to the three-dimensional nature of the wall geometry, in contrast to previous assumptions. For 3D features of the tokamak magnetic field, the simulations predict toroidal field ripple and resonant magnetic perturbations to induce local modifications into the deposition pattern.  The presented simulation results highlight the role of plasma conditions in determining the impurity birth profile and the ratio between main chamber and divertor deposition. Besides the divertor configuration, the main mode of operation in modern tokamaks, it is shown that also the limiter configuration can lead to long-range impurity transport within the torus.  The results of this work suggest that increased attention should be directed towards the non-axisymmetric features of tokamaks for a reliable assessment of impurity migration in next-step devices.

Plasma-seinä-vuorovaikutuksen ja siitä aiheutuvan erodoituneiden epäpuhtaushiukkasten leviämisen ymmärtäminen ja hallinta muodostavat erään tärkeimmistä haasteista reaktoritason magneettisen koossapidon fuusiolaitteille kuten tokamakeille. Tokamakien ei-aksisymmetriset eli kolmiulotteiset piirteet ovat yksi epäpuhtauksien leviämisen osa-alue, joka vaatii lisätutkimuksia.  Tässä työssä simuloidaan epäpuhtauksien globaalia kulkeutumista ASDEX Upgrade- ja JET-tokamakeilla käyttäen Monte Carlo -pohjaista ASCOT-radanseurantakoodia. Simulaatiot käsittelevät näillä laitteilla tehtyjä kokeita, joissa merkkiaine-epäpuhtauksia on vapautettu plasmaan sekä injektiolla kaasumaisessa muodossa että käyttäen erityisiä torukseen asennettuja seinätiiliä. Esitellyt simulaatiot suoritetaan realistisessa tokamak-ympäristössä rajattomassa laskenta-alueessa ja hyödyntäen sekä seinägeometriaa että magneettikenttää kolmiulotteisessa muodossa.  ASCOT-simulaatioiden mukaan ei-aksisymmetrisen seinägeometrian huomioiminen voi olla hyvin tärkeää kokeellisesti mitattujen merkkiaineiden kerrostumisprofiilien oikean tulkinnan kannalta. Erityisesti ASDEX Upgradea käsittelevät tutkimukset osoittavat, että epäpuhtauksien kerrostumisessa seinäpinnoille voi ilmetä huomattavaa epäsymmetriaa toroidaalisessa suunnassa seinägeometrian kolmiulotteisten piirteiden vuoksi, mikä on vastoin aiempia oletuksia. Magneettikentän kolmiulotteisiin piirteisiin liittyen simulaatiot ennustavat toroidaalisen väreen ja ulkoisten magneettisten häiriöiden aiheuttavan lokaaleja muutoksia epäpuhtauksien kerrostumiseen.  Esitetyt simulaatiotulokset korostavat plasmaolosuhteiden merkitystä epäpuhtauksien syntyprofiilin ja diverttorikerrostumisen määrittäjänä. Modernien tokamakien pääasiallisesti käyttämän diverttorikonfiguraation lisäksi myös limitterikonfiguraation ennustetaan johtavan laaja-alaiseen epäpuhtauksien kulkeutumiseen toruksen alueella.  Työn tulosten perusteella tokamakien ei-aksisymmetrisiin piirteisiin tulisi kiinnittää enemmän huomiota luotettavien arvioiden saamiseksi epäpuhtauksien leviämisestä seuraavan sukupolven laitteissa.
Description
Supervising professor
Groth, Mathias, Associate Prof., Aalto University, Department of Applied Physics, Finland
Thesis advisor
Kurki-Suonio, Taina, Dr., Aalto University, Department of Applied Physics, Finland
Keywords
fusion, tokamak, impurities, transport, deposition, fuusio, epäpuhtaudet, kulkeutuminen, kerrostuminen
Other note
Parts
  • [Publication 1]: J. Miettunen, T. Kurki-Suonio, T. Makkonen, M. Groth, A. Hakola, E. Hirvijoki, K. Krieger, J. Likonen, S. Äkäslompolo and the ASDEX Upgrade Team. The effect of non-axisymmetric wall geometry on 13C transport in ASDEX Upgrade. Nuclear Fusion, 52 032001, 2012.
    DOI: 10.1088/0029-5515/52/3/032001 View at publisher
  • [Publication 2]: J. Miettunen, M.I. Airila, T. Makkonen, M. Groth, V. Lindholm, C. Björkas, A. Hakola, H.W. Müller and the ASDEX Upgrade Team. Dissociation of methane and nitrogen molecules and global transport of tracer impurities in an ASDEX Upgrade L-mode plasma. Plasma Physics and Controlled Fusion, 56 095029, 2014.
    DOI: 10.1088/0741-3335/56/9/095029 View at publisher
  • [Publication 3]: J. Miettunen, M.I. Airila, M. Groth, V. Lindholm, T. Makkonen, S. Äkäslompolo and the ASDEX Upgrade Team. Influence of toroidal field ripple and resonant magnetic perturbations on global 13C transport in ASDEX Upgrade. Accepted for publication in Journal of Nuclear Materials, 2014.
    DOI: 10.1016/j.jnucmat.2014.10.095 View at publisher
  • [Publication 4]: J. Miettunen, M. Groth, T. Kurki-Suonio, H. Bergsåker, J. Likonen, S. Marsen, C. Silva, S. Äkäslompolo and JET EFDA Contributors. Predictive ASCOT modelling of 10Be transport in JET with the ITER-like wall. Journal of Nuclear Materials, 438 S612, 2013.
    DOI: 10.1016/j.jnucmat.2013.01.128 View at publisher
Citation