Impact of wall temperature on gas dynamics in the JET subdivertor

Thumbnail Image

Files

bachelor_Arola_Juho_2026.pdf (65.94 MB)

URL

Journal Title

Journal ISSN

Volume Title

School of Science | Bachelor's thesis
Unless otherwise stated, all rights belong to the author. You may download, display and print this publication for Your own personal use. Commercial use is prohibited.

Authors

Date

2026-03-02

Department

Major/Subject

Engineering Physics

Mcode

Degree programme

Bachelor's Programme in Science and Technology
Teknistieteellinen kandidaattiohjelma
Kandidatprogram i teknikvetenskap

Language

en

Pages

35

Series

Abstract

Tokamak-type fusion reactors are a possible source of abundant clean energy, but among other issues, there is still incomplete understanding of the vacuum pumping systems. To control the plasma density and, in future fusion power plants, to remove helium ash, neutral particles are removed by a cryopump through a structure called a subdivertor. The pumping needs to be well understood, efficient, and as controlled as possible. In this thesis, the impact of the wall temperature on the pumping and the conditions in the subdivertor is investigated. The study is conducted with a Boltzmann-equation Monte Carlo solver called EIRENE. To verify the simulations, the conductance calculated by EIRENE in a simplified simulation is compared to analytical solutions with ideal gas assumptions. The simulations are conducted in a toroidally symmetric approximation of the subdivertor geometry in JET with uniform wall temperatures, with the exception of a cool pump surface. The simplified geometry for EIRENE validation is a 2 m×1 m×9 m box with the source on the bottom, the pump at the top, and a thin aperture in the middle. Both uniform and non-uniform wall temperatures are tested. The results demonstrate that when the wall temperature is increased from 373 K to 1160 K, the pressure and the pressure gradient near the louvres increase by a factor of approximately 1.7. The difference between the wall and cryopump temperatures also affected the pressure and caused non-isothermal conditions. The EIRENE simulations in the simplified geometry produce conductance estimates that differ from the analytical results by a constant factor of approximately 1.35 for small apertures. With large apertures, the values exceed the analytical solution by up to a factor of 2. The gas temperature, and consequently the wall temperatures, are an important factor when comparing pressure values. Also, pressure gauges in experimental reactors should be coupled with temperature sensors as temperature greatly affects the measured values. EIRENE provides values on conductance in restricted geometries and conditions within a factor of 1.35, but further studies are required to understand the constant factor in relation to analytical solutions

Tokamak-tyyppiset fuusioreaktorit ovat potentiaalinen vihreän energian lähde, mutta esimerkiksi tyhjiöpumppausjärjestelmiä ei vielä tunneta riittävän hyvin. Plasmatiheyden hallitsemiseksi kryopumpulla poistetaan subdivertorin kautta sekä neutraalit hiukkaset että tulevissa fuusiovoimaloissa syntyvä heliumtuhka. Pumppausprosessi pitää ymmärtää hyvin, jotta se on tehokas ja hallittu. Tässä tutkielmassa tarkastellaan, miten seinämän lämpötila vaikuttaa pumppaukseen ja subdivertorin olosuhteisiin. Tutkimus tehdään EIRENE-nimisellä Boltzmann-yhtälön Monte Carlo -ratkaisijalla. Simulaatioiden verifioimiseksi EIRENE:n laskemia konduktansseja verrataan analyyttisiin ratkaisuihin yksinkertaistetussa geometriassa. Kaasun oletetaan olevan ideaalikaasua. Subdivertorin simulaatiot suoritetaan toroidisymmetrisessä approksimaatiossa, jossa seinämän lämpötila on yhtenäinen, lukuun ottamatta jäähdytettyä pumpun pintaa. EIRENE-validoinnin yksinkertaistettu geometria on 2 m × 1 m × 9 m:n kokoinen laatikko, jonka pohjassa on lähde, yläosassa pumppu ja keskellä ohut levy, jossa on aukko. Simulaatio tehdään sekä vakioseinälämpötilalla että tapauksessa, jossa lämpötila vaihtelee kammion eri osissa. Tulokset osoittavat, että kun seinälämpötilaa nostetaan 373 K:sta 1160 K:iin, paine ja painegradientti kasvavat noin 1,7-kertaisiksi. Seinämän ja kryopumpun lämpötilojen ero vaikutti myös paineeseen ja aiheutti erittäin epäisotermiset olosuhteet. Yksinkertaistetun geometrian EIRENE-simulaatiot ennustivat konduktanssin arvoja, jotka erosivat analyyttisesta ratkaisusta vakiotekijällä 1,35. Suurilla aukoilla, joilla analyyttinen teoria ei enää päde, arvot olivat jopa kaksinkertaisia suhteessa analyyttisiin ratkaisuihin. Kaasun lämpötila ja siten myös seinämän lämpötila ovat tärkeitä tekijöitä painearvoja vertailtaessa. Lisäksi kokeellisten reaktoreiden painemittarit tulisi yhdistää lämpötila-antureihin, koska lämpötila vaikuttaa suuresti mitattuihin arvoihin. EIRENE tarjoaa konduktanssille rajoitetuissa geometrioissa ja olosuhteissa suuntaa antavia arvoja, mutta vakiotekijän 1,35 yhteyttä analyyttisiin ratkaisuihin täytyy tutkia lisää.

Description

Supervisor

Groth, Mathias

Thesis advisor

Kiviniemi, Timo

Keywords

fusion, subdivertor, EIRENE, JET

Other note

Citation

Permanent link to this item

https://urn.fi/URN:NBN:fi:aalto-202603032648

Collections

[kand] Perustieteiden korkeakoulu / SCI