Simulations of turbulence-flow interplay in tokamak plasmas - Gyrokinetic studies of isotope effect on turbulent transport and flows in Ohmic discharges

Loading...
Thumbnail Image
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
School of Science | Doctoral thesis (article-based) | Defence date: 2018-10-05
Date
2018
Major/Subject
Mcode
Degree programme
Language
en
Pages
84 + app. 68
Series
Aalto University publication series DOCTORAL DISSERTATIONS, 152/2018
Abstract
Performance of tokamak fusion reactors is limited by heat and particle losses. Fusion reactions require extreme temperatures that ionise the fuel and transform it into a plasma, which is confined by strong magnetic fields in tokamaks. Designing future reactors requires the capability to predict the efficiency of the confinement based on known parameters. Generally the design process utilises simple scaling laws based on databases of previous experiments. These scaling laws, however, give little insight into the physical mechanisms that determine the confinement properties.  The heat and particle losses are understood to be governed by the non-linear interplay of turbulence and plasma flows, but uncertainty remains on e.g. sudden transitions between confinement regimes and isotopic scaling of confinement. Experimental studies of these issues are aided by advanced computer models. This thesis investigates the interplay of flows and turbulence in ohmically heated tokamak plasmas via gyrokinetic simulations with the ELMFIRE and GENE codes.  The first part of the thesis presents the verification of ELMFIRE predictions against theoretical estimates of fundamental physics properties with ad-hoc plasma parameters. The simulation predictions agree quantitatively with the analytical estimates for the neoclassical mean plasma flow and electrical conductivity in different collisionality regimes. ELMFIRE predictions for the frequency of oscillating flows are also within a few percent of the analytical estimate.  The second part presents studies of isotope effect on transport and plasma flows in Ohmic tokamak plasmas. Gyrokinetic simulations predict decreased particle transport, when the fuel is switched from hydrogen to deuterium and other parameters remain comparable in the FT-2 tokamak. Experimental measurements of the corresponding plasmas validate the prediction qualitatively. Simulations indicate that the reduction of particle flux results from less intense fluctuations at small spatial scales for the heavier isotope. Linear analysis of turbulence identifies the dominant instability as the trapped electron mode driven by the density gradient. Experiments and simulations show clear evidence of geodesic acoustic mode (GAM) activity; they follow an isotopic scaling of GAM frequency, wavelength, and amplitude. The interplay of GAM and turbulence results in modulation of particle flux, which is more distinct for the deuterium plasma. The deuterium parameters also have a larger GAM amplitude. The simulations predict that both neoclassical effects and turbulence determine the mean flow profile in the plasmas, and that the safety factor profile is important for the organisation of mean flows and turbulence.

Hiukkas- ja lämpöhäviöt heikentävät tokamak-fuusioreaktoreiden suorituskykyä. Fuusioreaktiot vaativat äärimmäisen korkean lämpötilan, joka ionisoi polttoaineen ja muuttaa sen plasmaksi. Tokamakissa plasma pidetään koossa voimakkailla magneettikentillä. Fuusioreaktoreiden suunnittelemiseksi koossapidon tehokkuus pitää pystyä ennustamaan tiedetyille parametreille. Suunnittelussa hyödynnetään kokeellisten tietokantojen pohjalta johdettuja monien muuttujien potenssilakeja, mutta ne eivät kerro koossapitoon vaikuttavista fysikaalisista prosesseista.  Nykykäsityksen mukaan hiukkas- ja lämpöhäviöt määräytyvät plasmaturbulenssin ja -virtausten monimutkaisen vuorovaikutuksen seurauksena, mutta koossapito-ominaisuuksien nopeisiin muutoksiin ja isotooppiriippuvuuteen liittyy vielä epävarmuutta. Näiden ongelmien kokeellista tutkimusta tuetaan kehittyneillä tietokonemalleilla. Tässä väitöskirjassa hyödynnetään gyrokineettisiä ELMFIRE- ja GENE-koodeja, joilla tutkitaan turbulenssin ja virtausten vuorovaikutusta sekä erityisesti polttoainehiukkasten massan vaikutusta näihin ominaisuuksiin.  Väitöskirjan ensimmäisessä osassa verrataan ELMFIRE:n ja teoreettisten kaavojen ennusteita plasman perusominaisuuksille. Simulaatioennusteet plasman keskimääräiselle virtaukselle ja sähkönjohtavuudelle antavat oikeanlaisen törmäysriippuvuuden ja täsmäävät hyvin teorian kanssa. ELMFIRE:n ennusteet värähtelevien virtauksien taajuuksille ovat myös muutaman prosentin sisällä teoreettisista arvoista.  Väitöskirjan toisessa osassa tutkitaan polttoaineisotoopin vaikutusta turbulenttiin kuljetukseen ja virtauksiin sähkövirralla kuumennetuissa plasmoissa. Simulaatiot ennustavat hiukkashäviöiden pienenevän, kun polttoaine vaihdetaan tavallisesta vedystä raskaampaan deuteriumiin muiden parametrien pysyessä vakiona. Kokeelliset mittaukset vahvistavat ennusteen laadullisesti. Simulaatioissa deuteriumin pienempi hiukkasvuo johtuu vähemmän intensiivisistä pienen kokoluokan turbulenteista värähtelyistä. Lineaaristen simulaatioiden perusteella turbulenssi syntyy loukkuunteneiden elektronien ja tiheyserojen yhteisvaikutuksesta. Kokeet ja simulaatiot näyttävät selkeitä merkkejä värähtelevistä vyöhykevirtauksista. Mittaukset ja laskennalliset ennusteet virtauksien taajuuden, aallonpituuden, ja värähtelyvälin isotooppiriippuvuudelle täsmäävät. Virtausten ja turbulenssin vuorovaikutus näkyy puolestaan hiukkasvuon värähtelyinä, jotka ovat voimakkaampia deuteriumplasmassa. Myös virtausten värähtelyväli on suurempi deuteriumilla. Simulaatiot ennustavat sekä törmäyksien että turbulenssin määrittelevän plasman virtausprofiilin ja magneettisen geometrian muovaavan merkittävästi keskimääräistä paine- ja virtausjakaumaa.
Description
Supervising professor
Groth, Mathias, Prof., Aalto University, Department of Applied Physics, Finland
Thesis advisor
Kiviniemi, Timo, Dr., Aalto University, Department of Applied Physics, Finland
Leerink, Susan, Dr., Aalto University, Department of Applied Physics, Finland
Keywords
nuclear fusion, tokamak, plasma, computer simulation, zonal flows, turbulence, fuusio, tokamak, plasma, turbulenssi, tietokonesimulaatiot, vyöhykevirtaukset
Other note
Parts
  • [Publication 1]: T.P. Kiviniemi, S. Leerink, P. Niskala, J.A. Heikkinen, T. Korpilo, and S. Janhunen. Comparison of gyrokinetic simulations of parallel plasma conductivity with analytical models. Plasma Physics and Controlled Fusion 56, 075009, May 2014.
    DOI: 10.1088/0741-3335/56/7/075009 View at publisher
  • [Publication 2]: P. Niskala, T.P. Kiviniemi, S. Leerink, and T. Korpilo. Gyrokinetic simulations of interplay between geodesic acoustic modes and trapped electron mode turbulence. Nuclear Fusion 55, 073012, June 2015.
    DOI: 10.1088/0029-5515/55/7/073012 View at publisher
  • [Publication 3]: A.D. Gurchenko, E.Z. Gusakov, P. Niskala, A.B. Altukhov, L.A. Esipov, T.P. Kiviniemi, D.V. Kouprienko, M.Yu. Kantor, S.I. Lashkul, S. Leerink, A.A. Perevalov, and T. Korpilo. Turbulence and anomalous tokamak transport control by Geodesic Acoustic Mode. Europhysics Letters 110, 55001, June 2015.
    DOI: 10.1209/0295-5075/110/55001 View at publisher
  • [Publication 4]: A.D. Gurchenko, E.Z. Gusakov, P. Niskala, A.B. Altukhov, L.A. Esipov, T.P. Kiviniemi, T. Korpilo, D.V. Kouprienko, S.I. Lashkul, S. Leerink, A.A. Perevalov, and M.A. Irzak. Isotope effect in turbulent transport control by GAMs. Observation and gyrokinetic modeling. Plasma Physics and Controlled Fusion 58, 044002, January 2016.
    DOI: 10.1088/0741-3335/58/4/044002 View at publisher
  • [Publication 5]: P. Niskala, A.D. Gurchenko, A.B. Altukhov, L.A. Esipov, M.Yu. Kantor, T.P. Kiviniemi, D. Kouprienko, S.I. Lashkul, S. Leerink, A.A. Perevalov, and R. Rochford. Gyrokinetic characterization of the isotope effect in turbulent transport at the FT-2 tokamak. Plasma Physics and Controlled Fusion 59, 044010, March 2017.
    DOI: 10.1088/1361-6587/aa5d89 View at publisher
  • [Publication 6]: P. Niskala, A.D. Gurchenko, E.Z. Gusakov, A. Altukhov, L. Esipov, L. Chôné, T.P. Kiviniemi, and S. Leerink. Neoclassical and turbulent E×B flows in flux-driven gyrokinetic simulations of Ohmic tokamak plasmas . Accepted for publication in Nuclear Fusion June 2018.
Citation