Modelling of JET and ITER reactor relevant plasma neutron source for neutronics calculation chain

No Thumbnail Available
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
School of Science | Doctoral thesis (article-based) | Defence date: 2018-06-19
Author
Date
2018
Department
Teknillisen fysiikan laitos
Department of Applied Physics
Major/Subject
Mcode
Degree programme
Language
en
Pages
61 + app. 58
Series
Aalto University publication series DOCTORAL DISSERTATIONS, 118/2018, VTT Science, 180
Abstract
It is essential for the research of reactor relevant plasmas to understand how heat transfer is affected by the properties of and phenomena in the plasma fuel. The major part of heat is transferred out via energetic neutrons. The neutrons must be taken into account as a heat source as well as from the perspective of material activation and induced reactions. In simulations the calculation chain from the reactants to products, heat transfer and material effects requires the coupling methods in plasma physics, reactor analysis and thermohydraulics calculation. This thesis focuses on reactor relevant plasmas. The first part discusses plasma operational scenarios concentrating especially on advanced tokamak scenarios. The time evolution of the safety factor q is strongly connected to total plasma current and confinement, so the data analysis based on the identity plasma experiments is extended with predictive current diffusion simulations. A sensitivity test with respect to typical plasma parameters carried out for time evolution of q and internally generated bootstrap current density. The second and third parts consider fusion products and their characterisation. The simulation tool AFSI fusion source integrator is presented and validated using JET tokamak data. The production rate and neutron spectrum is calculated in a geometry which correspond to real diagnostics based on the experimental data. Additionally, the results have been compared qualitatively to the experimental measurements when with good agreement between calculated and measured values. In the fourth part, the calculation chain from the modelling of plasma fuel to the balance-of plant modelling is described with the focus on the coupling of plasma physics and neutronics. As a demonstration case, the predictions ITER plasma data and a CAD model have been used. AFSI has been coupled to the ASCOT particle following code, which defines the distribution and energy of the reactants. A neutron source was provided for a dose-rate calculation with the Serpent code, which is available for a further coupling to thermohydraulics.

Reaktorikelpoisten fuusioplasmojen tutkimuksessa on olennaista ymmärtää plasmapolttoaineen ominaisuuksien ja ilmiöiden yhteys lämmönsiirtoon. Suurin osa lämmöstä kulkeutuu plasmasta fuusioreaktiossa tuotettujen suurienergisten neutronien mukana. Neutronit täytyy huomioida useammasta eri näkökulmasta: lämpölähteenä, materiaalien aktivoijana ja reaktioiden aiheuttajana. Laskentaketju plasman reagoivien ionien mallinnuksesta reaktiotuotteisiin, lämmönsiirtoon ja materiaalivaikutuksiin vaatii plasmafysiikan, reaktorianalyysin ja termohydrauliikan laskentamenetelmien yhdistämistä. Tämä opinnäyte keskittyy reaktorikelpoisten plasmojen tarkasteluun. Ensimmäinen osa käsittelee plasmaskenaarioita, joista pääpaino on kehittyneillä tokamak-skenaarioilla. Varmuustekijän q aikakehityksellä on voimakas yhteys kokonaisplasmavirtaan ja plasman koossapitoon, joten plasmojen identiteettikokeisiin pohjautuvaa data-analyysia on laajennettu prediktiivisillä virtadiffuusiosimulaatioilla. Simulaatioilla on tehty herkkyystestejä parametrien vaikutuksesta varmuustekijän q aikakehitykseen ja sisäsyntyisen bootstrap-virran suuruuteen. Toinen ja kolmas osa esittelevät fuusiotuotteet ja niiden karakterisointiin käytettävät menetelmät. Aluksi esitellään AFSI-fuusiotuotekoodi, joka on validoitu JET-tokamakilla. Koodia on sovellettu synteettiseen neutronidiagnostiikkaan JET-tokamakilla. Neutroneiden, tuottonopeus ja spektri on laskettu todellisia diagnostiikkainstrumentteja vastaavissa geometrioissa käyttäen plasmakokeiden dataa. Lisäksi laskentatuloksia on verrattu kvalitatiivisesti kokeellisesti arvoihin ja todettu menetelmien vastaavan hyvin mitattuja arvoja eri detektoreja vastaavissa sijainneissa. Neljännessä osassa kuvataan kokonaisuudessaan laskentaketju plasmaparametrien mallinnuksesta laitoksen termohydrauliikkaan painottuen erityisesti plasmafysiikan ja neutronien kulkeutumisen mallinnuksen kytkemiseen. Esimerkkitapauksena on käytetty ITER-tokamakin ennustettuja plasmaparametreja ja rakennemallia. AFSI on kytketty ASCOT-hiukkasseurantakoodiin, joka määrittää reagoivien hiukkasten sijainnin, tiheyden ja energiat. Fuusiotuotteiden perusteella on muodostettu neutronilähde Serpent-neutronitransportkoodille, jota on käytetty reaktorinkomponenttien annosnopeuslaskun suorittamiseen, joka voidaan kytkeä edelleen termohydrauliikkamalliin.
Description
Supervising professor
Tuomisto, Filip, Prof., Aalto University, Department of Applied Physics, Finland
Thesis advisor
Leppänen, Jaakko, Dr., VTT Technical Research Centre of Finland Ltd, Finland
Keywords
plasma physics, magnetic confinement, scenario modelling, fusion neutrons, synthetic diagnostics, plasmafysiikka, magneettinen koossapito, fuusioneutronit, skenaariomallinnus, synteettiset diagnostiikat
Other note
Parts
  • [Publication 1]: P. Sirén, T. Tala, G. Corrigan, J. Garcia,T. Koskela, F. Köchl, X. Litaudon, A. Salmi, JET EFDA contributors and the EU-ITM ITER Scenario Modelling Group. 2015. Understanding of the fundamental differences in JET and JT-60U AT discharges. Plasma Physics and Controlled Fusion 57 075015.
    DOI: 10.1088/0741-3335/57/7/075015 View at publisher
  • [Publication 2]: P. Sirén, J. Varje, S. Äkäslompolo, O. Asunta, C. Giroud, T. Kurki-Suonio, H. Weisen. 2018. ASCOT Fusion source integrator AFSI for fast ion and neutron studies in fusion devices. Nuclear Fusion 58 016023.
    DOI: 10.1088/1741-4326/aa92e9 View at publisher
  • [Publication 3]: P. Sirén, J. Varje, H. Weisen, T. Koskela. 2017. Synthetic neutron camera and spectrometer in JET based on AFSI-ASCOT simulations. Journal of Instrumentations 12 C09010.
    DOI: 10.1088/1748-0221/12/09/C09010 View at publisher
  • [Publication 4]: P. Sirén, J. Leppänen. Expanding the use of Serpent 2 to fusion applications: Development of a neutron source. In proc. PHYSOR 2016, Sun Valley, ID, May 1-6, 2016.
Citation
Permanent link to this item
https://urn.fi/URN:NBN:fi:aalto-201812045878
Collections
[diss] Perustieteiden korkeakoulu / SCI