Relativistic runaway electron simulations in 3D background

Loading...
Thumbnail Image
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
Perustieteiden korkeakoulu | Master's thesis
Date
2015-11-03
Department
Major/Subject
Teknillinen fysiikka
Mcode
F3005
Degree programme
Teknillisen fysiikan ja matematiikan koulutusohjelma
Language
en
Pages
66+5
Series
Abstract
While the friction force in a plasma decreases with increasing test particle velocity, a particle can continue accelerating without limit once its velocity has exceeded the point where the friction and the accelerating forces are equal. In tokamaks, the toroidal electric field can result in electrons being accelerated. These so-called runaway electrons (RE) typically have energies ranging from 1 to 100 MeV, which make them highly relativistic. Important occurrence of REs is immediately after a plasma disruption where the rapidly cooling background causes the hot-tail of the electron population to become runaway. The number of REs is quickly multiplied when existing REs collide with thermal electrons. This avalanche process leads to the post-disruption plasma current to be carried entirely by REs which, in ITER, could lead to severe damage to the first wall when the plasma pulse terminates. The RE phenomena and the means to mitigate the RE avalanche can be studied with orbit-following codes such as ASCOT. However, ASCOT lacked a suitable collision operator for relativistic particles as well as the radiation reaction force, both of which are essential for proper modeling. Therefore, a relativistic Fokker-Planck collision operator as well as the Abraham-Lorentz-Dirac force were implemented in ASCOT, and the theoretical background of these features as well as the implementation procedure are described in the thesis. One of the proposed RE mitigation techniques is to cause REs to escape the plasma in a controlled manner by using magnetic perturbations. This thesis takes first steps in developing a simple model for collisionless radial transport in an externally perturbed magnetic field, where the field stochasticity induces the transport. The transport model involves drifting and diffusive transport, where the corresponding transport coefficients for a given field are evaluated with ASCOT.

Kitkavoiman suuruus plasmassa pienenee testihiukkasen kasvattaessa nopeuttaan, mikä johtaa rajoittamattomaan kiihtymiseen hiukkasen nopeuden ylittäessä arvon, jossa kitkavoima sekä kiihdyttävä voima ovat yhtäsuuret. Tokamakeissa ilmiö on havaittavissa toroidisuuntaisen sähkökentän kiihdyttäessä elektroneita. Näiden niin kutsuttujen karkurielektroneiden (KE) energia on tyypillisesti 1 ja 100 MeV välillä, mikä tekee niistä vahvasti relativistisia. KE:ta syntyy erityisesti nk. disruption yhteydessä, jossa taustan nopea jäähtyminen aikaansaa elektronipopulaation kuuman hännän karkaamisen. KE:ien lukumäärä moninkertaistuu nopeasti jo olemassaolevien KE:ien törmätessä termisten elektronien kanssa. Tämän lumivyöryprosessin seurauksena häiriönjälkeinen plasmavirta on kokonaan siirtynyt KE:ielle, mikä voi ITERssä johtaa vakavaan ensiseinämän vahingoittumiseen plasmapulssin tullessa päätökseen. KE-ilmiötä sekä lumivyöryprosessin lievittämistä voidaan tutkia radanseurantakoodien kuten ASCOT:n avulla. ASCOT:sta kuitenkin puuttuivat sekä säteilyhäviöt että relativistisille hiukkasille pätevä törmäysoperaattori, jotka ovat kunnollisen mallintamisen kannalta välttämättömiä. Tämän vuoksi osana tätä työtä ASCOT:iin lisättiin sekä relativistinen Fokker-Planck törmäysoperaattori että Abraham-Lorentz-Dirac voima, joiden teoreettinen tausta ja toteutus koodiin ovat esiteltynä opinnäytetyössä. Magneettikentän häiriöitä on ehdotettu yhdeksi keinoksi KE:en lieventämiseksi, sillä niillä voidaan aiheuttaa hallitusti KE:en häviöitä. Häiriöt tekevät kentästä stokastisten, jonka seurauksena KE:t kulkeutuvat radiaalisesti pois plasmasta. Työssä otetaan ensiaskeleet tätä kulkeutumista kuvaavan mallin kehittämiseksi. Kehitettävä malli sisältää ajautumisesta ja diffuusiosta johtuvan kulkeutumisen, joita vastaavat kuljetuskertoimet määritetään ASCOT:n avulla.
Description
Supervisor
Groth, Mathias
Thesis advisor
Kurki-Suonio, Taina
Keywords
fusion energy, tokamak, runaway electrons, ASCOT, ITER, radial transport
Citation