Kinetic modelling of ¹³C transport in the ASDEX Upgrade tokamak with the ASCOT code

Abstract

As research on fusion energy progresses towards reactor-class tokamaks, one of the most important research areas is the interaction of the hot plasma with its surrounding material surfaces. In particular, the transport of carbon impurities in the plasma has been a target of active research. This results from the tendency of carbon to form hydrocarbon molecules with the hydrogen isotopes of the plasma. After dissociation and transport in the plasma, the hydrogen and carbon particles are co-deposited on the tokamak wall surfaces. In the case of tritium, this leads to accumulation of radioactive material.

Numerical simulations in the scrape-off layer plasma are typically based on treating the plasma as a fluid, although this approach has certain limitations. In the case of impurity transport, kinetic test particle codes offer an alternative that alleviates these limitations.

In this work, the transport of carbon impurities in the ASDEX Upgrade tokamak was simulated. The simulations were performed using the orbit-following Monte Carlo code ASCOT representing the kinetic test particle approaches. The aim of the simulations was to try to replicate trace-element injection experiments that were conducted on ASDEX Upgrade in 2007 to study the migration of carbon. In particular, the simulations considered the effects of magnetic ripple and three-dimensional tokamak wall geometry on carbon transport.

The results showed that protruding wall structures cause highly localised deposition patterns. Especially, limiter structures in the outer midplane of the tokamak were observed to be regions of high deposition. In addition, magnetic ripple was seen to result in periodic deposition patterns in the toroidal direction. Although the impact was small with the 3D wall geometry, the magnetic ripple effect was clearly distinguishable when using axisymmetric wall geometry. The obtained results show that the traditional simulation methods, assuming an axisymmetric wall geometry and magnetic field, cannot produce entirely reliable estimates of the transport of impurities.

Fuusiotutkimuksen edistyessä kohti reaktoriluokan tokamak-laitteita yksi tärkeimmistä tämän hetken tutkimusaloista on kuuman plasman ja sitä ympäröivien materiaalipintojen välinen vuorovaikutus. Erityisesti hiilen kulkeutuminen plasmassa on ollut aktiivinen tutkimuskohde. Tämä johtuu hiilen taipumuksesta muodostaa hiilivetymolekyylejä plasman vedyn isotooppien kanssa. Dissosiaation ja plasmassa kulkeutumisen jälkeen vety- ja hiilihiukkaset depositoituvat tokamakin seinämäpinnoille. Tritiumin tapauksessa tästä aiheutuu radioaktiivisen materiaalin kerääntymistä.

Numeeriset simulaatiot plasman kuorintakerroksessa perustuvat tyypillisesti plasman käsittelemiseen fluidina, vaikka tähän lähestymistapaan liittyykin tiettyjä rajoituksia. Epäpuhtauksien kulkeutumisen tapauksessa kineettiset testihiukkaskoodit tarjoavat vaihtoehdon, joka välttää nämä rajoitukset.

Tässä työssä simuloitiin hiiliepäpuhtauksien kulkeutumista ASDEX Upgrade -tokamakissa. Simulaatiot suoritettiin Monte Carlo -pohjaisella ASCOT-radanseurantakoodilla, joka edustaa kineettistä testihiukkasmallia. Simulaatioiden tavoitteena oli yrittää jäljitellä merkkiaineiden injektiokokeita, jotka suoritettiin ASDEX Upgrade -koelaitteella vuonna 2007 hiilen leviämisen tutkimiseksi. Simulaatioissa tarkasteltiin erityisesti magneettisen kareen ja kolmiulotteisen tokamak-seinägeometrian vaikutusta hiilen kulkeutumiseen.

Tulokset osoittivat, että seinästä plasmaa kohti työntyvät rakenteet aiheuttavat hyvin lokalisoitunutta depositiota. Erityisesti suurta depositiota havaittiin limitterialueilla tokamakin ekvaattoritason ulommalla reunalla. Tämän lisäksi magneettisen kareen nähtiin aiheuttavan periodisia depositiorakenteita toroidaalisessa suunnassa. Vaikka merkitys oli pieni 3D-seinägeometriassa, magneettisen kareen merkitys oli selvästi havaittavissa käytettäessä aksiaalisymmetristä seinägeometriaa. Saadut tulokset osoittavat, ettei perinteisillä simulointitavoilla, joissa oletetaan aksiaalisymmetrinen seinägeometria ja magneettikenttä, voida saada täysin luotettavia ennusteita epäpuhtauksien kulkeutumisesta.