Investigating geodesic acoustic modes on the TEXTOR tokamak via gyrokinetic plasma simulations

No Thumbnail Available

URL

Journal Title

Journal ISSN

Volume Title

Perustieteiden korkeakoulu | Master's thesis

Date

2014

Department

Major/Subject

Ydin- ja energiatekniikka

Mcode

Tfy-5

Degree programme

Language

en

Pages

vi + 66 s.

Series

Abstract

When designing and developing tokamak nuclear fusion devices, confinement of the plasma is of utmost importance. This confinement is greatly affected by turbulence that enhances transport of particles out of the main plasma. Thus learning to understand and control plasma turbulence and phenomena related to it is a priority. Geodesic acoustic modes are one of these phenomena. According to theory, these oscillations of the electric potential and their effects may serve to regulate turbulence. We investigate geodesic acoustic modes with TEXTOR tokamak parameters using a plasma simulation code ELMFIRE. Based on the gyrokinetic model, ELMFIRE simulates turbulence and mechanisms related to it. Amongst other quantities, the code outputs the electric potential in the plasma. Studying the fluctuations of the electric field caused by this potential using Fourier and correlation analysis, properties of geodesic acoustic modes are investigated. As a result of this analysis, ELMFIRE results are on average within 20 percent of theoretical estimates for the frequency of the oscillations. Simulations indicate that the radial propagation speed of the fluctuations scales as a function of ion mass. Anti-correlation of the radial electric field fluctuations and particle transport diffusion coefficient suggests the physical mechanism of geodesic acoustic modes suppressing turbulence is seen in the simulations. Clear phase differences between radial electric field, diffusion coefficient and thermal conductivity are found. For further analysis, a more direct comparison between experimental work is proposed.

Fuusioenergian koelaitteita ja tulevaisuuden reaktoreja suunniteltaessa plasman koossapito on erittäin keskeisessä roolissa. Koossapitoa hankaloittavat monet tekijät, joista plasmaturbulenssi on yksi olennaisimmista. Se aiheuttaa hiukkasten ajautumista ulos plasmasta, joten turbulenssin ja siihen liittyvien ilmiöiden ymmärtäminen on kriittistä fuusioenergian kannalta. Geodeettiset akustiset moodit ovat yksi näistä mielenkiintoisista ilmiöistä. Teorian mukaan nämä sähköpotentiaalin värähtelyt ja niiden vaikutukset saattavat auttaa hillitsemään turbulenssia. Geodeettisia akustisia moodeja tutkitaan hyödyntämällä ELMFIRE-plasmasimulaatiokoodia ja käyttämällä TEXTOR-tokamakin parametreja. Simulaatiomalli pohjautuu gyrokineettiseen teoriaan, jonka avulla voidaan mallintaa sekä neoklassista että turbulenttia fysiikkaa. Koodin ratkaisemaa sähköpotentiaalia analysoidaan puolestaan hyödyntämällä Fourier-muunnosta ja korrelaatiomenetelmiä. Analyysissa nähdään, että ELMFIRE:n tuottamat simulaatiotulokset sopivat osuvat keskimäärin 20 prosentin sisälle analyyttisista arvioista. Värähtelyjen säteen suuntainen etenemisvauhti skaalautuu simulaatioissa ionien massan funktiona. Sähkökentän ja diffuusiokertoimen vastakorrelointi puolestaan kertoo, että geodeettisten akustisten moodien ja turbulenssin välinen suhde on havaittavissa ELMFIRE-simulaatioissa. Lisäksi sähkökentän, lämmönjohtavuuden ja diffuusiokertoimien välillä on havaittavissa selkeät vaihe-erot. Tulevaisuudessa analyysia voidaan syventää vielä suorilla vertailuilla kokeellisten tulosten kanssa.

Description

Supervisor

Groth, Mathias

Thesis advisor

Kiviniemi, Timo

Keywords

plasma, energia, fuusio, turbulenssi, magneettinen koossapito, simulaatio, tokamak, gyrokineettinen, plasma, energy, fusion, turbulence, magnetic confinement, simulation, tokamak, gyrokinetic

Other note

Citation