Energetic particles in reactor-relevant plasmas: modelling and validation

Loading...
Thumbnail Image
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
School of Science | Doctoral thesis (article-based) | Defence date: 2022-02-11
Date
2022
Major/Subject
Mcode
Degree programme
Language
en
Pages
52 + app. 53
Series
Aalto University publication series DOCTORAL THESES, 23/2022
Abstract
Nuclear fusion is a promising future energy source with few carbon dioxide emissions and nearly limitless source of fuel in heavy isotopes of hydrogen. Energetic particles, such as fusion-born alpha particles and neutral beam injected (NBI) fast ions play a vital role in reactor-relevant fusion plasmas, as they are responsible for heating the plasma, but can simultaneously cause localized heat loads and risk of damage on the plasma facing components. In this work, the Monte Carlo orbit-following code ASCOT has been used to simulate fast ions both to validate simulation results with present-day experiments at the JET tokamak, and to predict fast ion losses in next-generation fusion reactors ITER and DEMO. For validation of ASCOT predictions against JET plasmas, synthetic diagnostics were used to compare the simulated fast ion distributions with the neutral particle analyser (NPA) and fast ion loss detector (FILD) measurements. The NPA simulations qualitatively reproduced the experimentally measured slowing-down distributions and fast ion isotope fraction for NBI-injected hydrogen and deuterium ions, while the FILD simulations for fusion product losses were within 10 % of the experimentally observed losses. For predictions in ITER plasmas, simulations with resonant magnetic perturbations showed that including the response of the plasma to the external perturbations is vital, as the response not only affected the magnitude but also the distribution of fast ion losses. For DEMO plasmas, the sensitivity of fast ion losses due to various magnetic perturbations was studied, including the toroidal field ripple and ferritic inserts in various configurations. The design was found to be robust with respect to fast ion confinement and losses. Finally, over the course of this work, a highly parallelized version of the ASCOT code, called ASCOT5, was developed. The new version substantially increased the performance on modern supercomputer hardware as well as improving its maintainability and extensibility.

Fuusioenergia on lupaava energiantuotantomenetelmä, joka ei tuota merkittävästi hiilidioksidipäästöjä, ja polttoaineena käytettävät vedyn raskaiden isotoopien varannot ovat runsaat. Suurienergiset hiukkaset, kuten fuusioreaktioissa syntyvät alfahiukkaset ja neutraalisuihkuilla injektoidut (NBI) ionit, ovat merkittävässä roolissa reaktorirelevanteissa plasmoissa. Ne kuumentavat plasmaa ja ylläpitävät fuusiopaloa, mutta saattavat myös vahingoittaa reaktorin rakenteita. Tässä työssä nopeiden ionien radanseurantakoodi ASCOT validoitiin ensin mallintamalla JET-tokamakin plasmapurkauksia, jonka jälkeen sitä käytettiin ennustamaan seuraavan sukupolven ITER- ja DEMO-reaktoreiden nopeiden hiukkasten koossapitoa ja häviöitä. JET-tokamakissa simuloituja nopeiden ionien distribuutioita verrattiin synteettisillä diagnostiikoilla kokeellisiin tuloksiin neutraalihiukkasanalysaattorista (NPA) ja nopeiden hiukkasten häviöitä mittaavasta detektorista (FILD). NPA-simulaatiotulokset toisinsivat kokeellisesti mitatut vety- ja deuterium-ionien hidastumisjakaumat, ja FILD-simulaatiot vastasivat kokeellisesti havaittuja fuusiotuotehäviöitä.ITER-reaktorille tehdyt simulaatiot resonanttien magneettisten häiriöiden kanssa osoittivat, että plasman vasteen huomioiminen on tärkeää, koska se vaikutti niin nopeiden hiukkasten häviöiden määrään kuin jakaumaan reaktorin sisäseinällä. DEMO-reaktorille tutkittiin häviöiden herkkyyttä muun muassa toroidaalisen kentän kelojen ja ferriittisten komponenttien aiheuttamille magneettisille häiriöille. Suunniteltu reaktorigeometria osoittautui kestäväksi nopeiden hiukkasten aiheuttaman tehokuorman kannalta. Työn aikana kehitettiin myös uusi, rinnakkaislaskentaa tehokkaasti hyödyntävä koodiversio ASCOT5. Uusi versio lisäsi suorituskykyä merkittävästi uusimmilla supertietokoneilla sekä paransi koodin ylläpidettävyyttä ja laajennettavuutta.
Description
Supervising professor
Groth, Mathias, Prof., Aalto University, Department of Applied Physics, Finland
Thesis advisor
Kurki-Suonio, Taina, Dr., Aalto University, Finland
Keywords
plasma physics, tokamaks, fast ions, synthetic diagnostics, plasmafysiikka, tokamakit, nopeat ionit, synteettiset diagnostiikat
Other note
Parts
  • [Publication 1]: J. Varje, K. Särkimäki, J. Kontula, P. Ollus, T. Kurki-Suonio, A. Snicker,E. Hirvijoki, S. Äkäslompolo. High-performance orbit-following code ASCOT5 for Monte Carlo simulations in fusion plasmas. Submitted to Computer Physics Communications, 2022
  • [Publication 2]: J. Varje, P. Sirén, H. Weisen, T. Kurki-Suonio, S. Äkäslompolo and JET contributors. Synthetic NPA diagnostic for energetic particles in JETplasmas. Journal of Instrumentation, 12 C11025, 2017.
    DOI: 10.1088/1748-0221/12/11/C11025 View at publisher
  • [Publication 3]: J. Varje, V. Kiptily, P. Sirén, H. Weisen and JET contributors. Synthetic diagnostic for the JET scintillator probe lost alpha measurements.Journal of Instrumentation, 14 C09018, 2019.
    Full text in Acris/Aaltodoc: http://urn.fi/URN:NBN:fi:aalto-201911076137
    DOI: 10.1088/1748-0221/14/09/C09018 View at publisher
  • [Publication 4]: J. Varje, O. Asunta, M. Cavinato, M. Gagliardi, E. Hirvijoki, T. Koskela, T. Kurki-Suonio, Y. Liu, V. Parail, G. Saibene, S. Sipilä, A. Snicker, K.Särkimäki, S. Äkäslompolo. Effect of plasma response on the fast ion losses due to ELM control coils in ITER. Nuclear Fusion, 56 046014,2016.
    DOI: 10.1088/0029-5515/56/4/046014 View at publisher
  • [Publication 5]: J. Varje, T. Kurki-Suonio, A. Snicker, K. Särkimäki, P. Vincenzi, P. Agostinetti, E. Fable, P. Sonato, F. Villone. Sensitivity of fast ion lossesto magnetic perturbations in the European DEMO. Fusion Engineering and Design, 146 Part B 1615-1619, 2018.
    DOI: 10.1016/j.fusengdes.2019.03.001 View at publisher
Citation