Towards realistic orbit-following simulations of fast ions in ITER

dc.contributorAalto-yliopistofi
dc.contributorAalto Universityen
dc.contributor.advisorKurki-Suonio, Taina, Senior University Lecturer, Aalto University, Department of Applied Physics, Finland
dc.contributor.authorSnicker, Antti
dc.contributor.departmentTeknillisen fysiikan laitosfi
dc.contributor.departmentDepartment of Applied Physicsen
dc.contributor.labFusion and Plasma Physicsen
dc.contributor.schoolPerustieteiden korkeakoulufi
dc.contributor.schoolSchool of Scienceen
dc.contributor.supervisorGroth, Mathias, Prof., Aalto University, Department of Applied Physics, Finland
dc.date.accessioned2014-11-25T10:00:18Z
dc.date.available2014-11-25T10:00:18Z
dc.date.defence2014-12-09
dc.date.issued2014
dc.description.abstractOne 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.en
dc.description.abstractMaailman 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.fi
dc.format.extent75 + app. 78
dc.format.mimetypeapplication/pdfen
dc.identifier.isbn978-952-60-5994-5 (electronic)
dc.identifier.isbn978-952-60-5993-8 (printed)
dc.identifier.issn1799-4942 (electronic)
dc.identifier.issn1799-4934 (printed)
dc.identifier.issn1799-4934 (ISSN-L)
dc.identifier.urihttps://aaltodoc.aalto.fi/handle/123456789/14494
dc.identifier.urnURN:ISBN:978-952-60-5994-5
dc.language.isoenen
dc.opnAkers, Rob, Dr., United Kingdom Atomic Authority, UK
dc.publisherAalto Universityen
dc.publisherAalto-yliopistofi
dc.relation.haspart[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
dc.relation.haspart[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
dc.relation.haspart[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
dc.relation.haspart[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
dc.relation.haspart[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.
dc.relation.haspart[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
dc.relation.ispartofseriesAalto University publication series DOCTORAL DISSERTATIONSen
dc.relation.ispartofseries199/2014
dc.revOikawa, Toshihiro, dr., ITER Organization, France
dc.revHellsten,Torbjörn, prof., KTH, Sweden
dc.subject.keywordalpha particlesen
dc.subject.keywordplasmaen
dc.subject.keywordITERen
dc.subject.keywordASCOTen
dc.subject.keywordguiding centeren
dc.subject.otherPhysicsen
dc.subject.otherEnergyen
dc.titleTowards realistic orbit-following simulations of fast ions in ITERen
dc.typeG5 Artikkeliväitöskirjafi
dc.type.dcmitypetexten
dc.type.ontasotDoctoral dissertation (article-based)en
dc.type.ontasotVäitöskirja (artikkeli)fi
local.aalto.digiauthask
local.aalto.digifolderAalto_63852
Files
Original bundle
Now showing 1 - 1 of 1
No Thumbnail Available
Name:
isbn9789526059945.pdf
Size:
1.39 MB
Format:
Adobe Portable Document Format
Description: