Towards realistic orbit-following simulations of fast ions in ITER

Loading...
Thumbnail Image
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
School of Science | Doctoral thesis (article-based) | Defence date: 2014-12-09
Checking the digitized thesis and permission for publishing
Instructions for the author
Date
2014
Major/Subject
Mcode
Degree programme
Language
en
Pages
75 + app. 78
Series
Aalto University publication series DOCTORAL DISSERTATIONS, 199/2014
Abstract
One of the main scientific goals of the international ITER experiment is to provide understanding of burning plasmas, including the behavior of fusion-born alpha particles. These particles form both a potential risk for the first wall and a massive source of free energy in the plasma. Such free energy can drive a multitude of MHD modes, most notably the Alfvénic ones, that can lead to increased transport and even losses of fast ions. In this work, the alpha particle physics has been studied using kinetic orbit-following Monte Carlo code ASCOT. The code was enhanced with two new physics models. The first model relaxes the usual guiding center (GC) approximation used to save computation time. In some cases, this approximation is not valid and the full gyro motion (FO) has to be resolved. The second model is for fast ion relevant MHD modes and its implementation allows taking into account electromagnetic fields due to these modes. When the MHD model was used to simulate ITER plasmas, the wall power loads due to fast particles were not found to exceed the design limits of the wall materials even for unrealistically large perturbations. However, redistribution of fast ions was observed to alter the alpha particle heating profile and neutral beam ion (NBI) driven current profile. Fusion alphas were simulated for the ITER 15 MA scenario using different integration methods. Following the full gyro motion gave slightly larger alpha particle wall power loads than the GC method. Since the FO method uses more than 50 times more CPU than GC integration, a third method was introduced as a compromise between the speed and accuracy: the GC method is used in the plasma core and FO integration is activated in the vicinity of the wall. Finally, alpha-driven current and torque in ITER were studied using different magnetic field configurations. It was found that, independent of the magnetic configurations, the alpha-driven current is less than 1% of the total plasma current for both 9 MA and 15 MA baseline scenarios. On the contrary, the alpha-driven torque depends on the magnetic field configuration. While in the axisymmetric case the total torque was found to be close to zero, with realistic 3D effects the alpha particles produced substantial torque, about one tenth of that driven by the NBI particles, but in direction opposite to it.

Maailman ensimmäisessä fuusioreaktorissa, ITERissä, on tarkoitus oppia ymmärtämään palavien plasmojen fysiikkaa ja siten valmistella tietä kaupalliselle fuusioenergialle. Fuusioreaktioissa syntyvät nopeat alfahiukkaset sekä neutraalisuihkukuumennuksesta (NBI) syntyneet nopeat ionit aiheuttavat riskin ensiseinämän kestävyydelle. Hiukkasten sisältämä vapaa energia mahdollistaa monenlaiset magnetohydrodynaamiset (MHD) epästabilisuudet. Nämä MHD-häiriöt voivat aiheuttaa nopeiden hiukkasten kulkeutumista jopa ulos plasmasta. Tässä työssä on tutkittu alfa- ja NBI-hiukkasten fysiikkaa käyttäen apuna kineettistä Monte-Carlo menetelmään perustuvaa radanseurantaohjelmistoa nimeltään ASCOT. Koodia on täydennetty numeerisilla malleilla, joista ensimmäinen mahdollistaa johtokeskusmenetelmän (GC) testaamisen ja tarvittaessa korvaa sen. Menetelmässä ratkaistaan hiukkasen gyroliike magneettikentän ympäri (FO). Toinen malli ottaa huomioon tiettyihin MHD ilmiöihin liittyvien sähkömagneettisten häiriöiden vaikutuksen nopeisiin hiukkasiin. Ensimmäistä mallia sovellettiin ITER:n perusplasmalle (15 MA) ja havaittiin, että FO menetelmällä laskettu alfahiukkasten aiheuttama seinäkuorma on suurempi kuin käytettäessä GC menetelmää. Koska FO menetelmä vaati noin 50 kertaa enemmän laskenta-aikaa, esiteltiin uusi hybridimenetelmä, joka siirtyy käyttämään FO radanseurantaa vain seinämien lähistöllä. MHD-mallia käytettiin useissa erilaisissa ITER-simuloinneissa. MHD-häiriöt eivät aiheuttaneet missään tapauksessa merkittävää lisäystä nopeiden hiukkasten tuottamiin seinäkuormiin. Sen sijaan MHD-häiriöt vaikuttavat nopeiden hiukkasten jakaumaan plasman sisällä. Tämä uudelleen jakautuminen aiheutti muutoksia sekä alfahiukkasten kuumennusprofiilissa että NBI-hiukkasten ajamassa virtaprofiilissa. Työssä laskettiin myös alfahiukkasten aiheuttama sähkövirta ja vääntömomentti erilaisten magneettikentän häiriöiden läsnäollessa. Alfahiukkasten synnyttämä virta oli kaikissa tapauksissa alle 1% kokonaisplasmavirrasta. Alfahiukkasten ajaman väännön puolestaan havaittiin riippuvan ulkoisista häiriöistä: aksiaalisesti symmetrisessä tapauksessa väännön komponentit summautuivat nollaan, mutta 3D häiriöiden läsnäollessa alfavääntö oli nollasta poikkeava. Alfaväännön suuruus on kuitenkin kertaluokkaa pienempi kuin NBI-hiukkasten aiheuttama vääntö ja lisäksi vastakkaissuuntainen.
Description
Supervising professor
Groth, Mathias, Prof., Aalto University, Department of Applied Physics, Finland
Thesis advisor
Kurki-Suonio, Taina, Senior University Lecturer, Aalto University, Department of Applied Physics, Finland
Keywords
alpha particles, plasma, ITER, ASCOT, guiding center
Other note
Parts
  • [Publication 1]: A. Snicker, S. Sipilä and T. Kurki-Suonio. Realistic simulations of fastion wall distribution including effects due to finite Larmor radius. IEEE Transactions on Plasma Science, 38, pp. 2177-2184, 2010.
    DOI: 10.1109/TPS.2010.2056705 View at publisher
  • [Publication 2]: A. Snicker, T. Kurki-Suonio and S. Sipilä. Orbit-following fusion alpha wall load simulation for ITER scenario 4 including full orbit effects. Nuclear Fusion, 52, 094011, 2012.
    DOI: 10.1088/0029-5515/52/9/094011 View at publisher
  • [Publication 3]: A. Snicker, E. Hirvijoki and T. Kurki-Suonio. Power loads to ITER first wall structures due to fusion alphas in non-axisymmetric magnetic field including the presence of MHD modes. Nuclear Fusion, 53, 093028, 2013.
    DOI: 10.1088/0029-5515/53/9/093028 View at publisher
  • [Publication 4]: E. Hirvijoki, A. Snicker, T. Korpilo, P. Lauber, E. Poli, M. Schneller and T. Kurki-Suonio. Alfvén eigenmodes and neoclassical tearing modes for orbit-following implementations. Computer physics communications, 183, pp. 2589-2593, 2012.
    DOI: 10.1016/j.cpc.2012.07.009 View at publisher
  • [Publication 5]: A. Snicker, O. Asunta, H. Ylitie, T. Kurki-Suonio, M. Schneider and S. Pinches. Alpha particle current drive and rotation in ITER baseline scenarios with 3D perturbations. Nuclear Fusion, submitted to NF, 2014.
  • [Publication 6]: T. Kurki-Suonio, O. Asunta, T. Koskela, A. Snicker. T. Hauff, F. Jenko, E. Poli and S. Sipilä. Fast ion power loads in ITER first wall structures in the presence of NTMs and microturbulence. Nuclear Fusion, 51, 083041, 2011.
    DOI: 10.1088/0029-5515/51/8/083041 View at publisher
Citation