ELMFIRE predictions of the bootstrap current profile in the JET pedestal region

Loading...
Thumbnail Image
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
Perustieteiden korkeakoulu | Master's thesis
Date
2020-03-17
Department
Major/Subject
Engineering Physics
Mcode
SCI3056
Degree programme
Master’s Programme in Engineering Physics
Language
en
Pages
53 + 5
Series
Abstract
Magnetic confinement of a plasma in a tokamak fusion reactor requires sufficient plasma current drive to sustain the magnetic field configuration. In present devices, the necessary current is mainly driven by external means. Non-inductive, self-generated plasma current called bootstrap current is considered critical in any future tokamak-based designs. The bootstrap current develops in a plasma due to the presence of a radial plasma pressure gradient. Consequently, significant bootstrap current drive arises in particular in a steep pedestal that forms in high confinement mode plasma scenarios. The bootstrap current also plays an important role in pedestal stability. In this thesis, the bootstrap current profile is studied in the pedestal region numerically with both neoclassical and turbulent simulations using plasma and magnetic parameters present in the JET tokamak. The simulations are performed with the gyrokinetic plasma simulation code ELMFIRE in the low-collisionality regime. The neoclassical simulation results are compared to two different analytical estimates. From the turbulence simulations, the effect of electrostatic instabilities on the bootstrap current profile is investigated by comparing the results to neoclassical predictions. The neoclassical bootstrap current simulations are found to agree with the analytical estimates within a few percent. No large deviation between the two analytical models is observed for the low-collisionality regime, and both models match the simulation results within numerical accuracy, even when approaching the limit where the neoclassical approximations start to break down. However, discrepancies as large as 20% between the numerical simulation and the analytical estimates by the models are introduced when the collision grid used by ELMFIRE is made sparser, resulting in inaccuracy in the collision operator. The turbulence simulations show a strong effect of turbulent fluctuations on the plasma current which reduces the current density in comparison to the neoclassical predictions. Computational restrictions prevent further quantitative investigations and analyses.

Tokamak-fuusioreaktorin plasman magneettinen koossapito vaatii riittävän plasmavirran ylläpitämään reaktorin magneettikenttää. Nykyisissä laitteissa tarvittava virta luodaan pääasiassa ulkoisin keinoin. Tulevissa tokamakeissa induktioton ja itsestään plasmaan syntyvä bootstrap-virta on kuitenkin keskeinen tekijä. Bootstrap-virta syntyy plasmaan radiaalisen painegradientin vaikutuksesta. Varsinkin reuna-alueen plasmassa virta kehittyy merkittävän suuruiseksi, kun alueelle muodostuu jyrkän gradientin omaava kulkeutumiseste, joka johtaa korkeaan koossapitoon. Bootstrap-virralla on lisäksi tärkeä rooli reuna-alueen plasman vakaudessa. Tässä työssä bootstrap-virran profiilia tutkitaan plasman reuna-alueella numeerisesti sekä neoklassisin että turbulentein simulaatioin käyttäen JET-tokamakin plasma- sekä magneettisia parametreja. Simulaatiot suoritetaan gyrokineettisellä ELMFIRE-plasmasimulaatiokoodilla matalan törmäyksellisyyden alueella. Neoklassisia tuloksia verrataan kahteen eri analyyttiseen malliin. Elektrostaattisten epävakaisuuksien vaikutusta bootstrap-virtaan tutkitaan vertaamalla turbulentin plasman simulaatiotuloksia neoklassisiin ennusteisiin. Neoklassisten simulaatioiden havaitaan vastaavan analyyttisiä estimaatteja muutaman prosentin tarkkuudella. Matalan törmäyksellisyyden alueella analyyttisten mallien väliltä ei löydy suuria eroja. Molemmat mallit vastaavat simulaatioita numeerisen tarkkuuden rajoissa, jopa neoklassisen teorian rajoilla, jolloin mallien tekemät approksimaatiot eivät enää päde. Simuloidun bootstrap-virran ja analyyttisien mallien ennusteiden välille kuitenkin ilmaantuu jopa 20% eroavuuksia, kun ELMFIRE-koodin käyttämien törmäyshilakoppien määrää pienennetään, mikä aiheuttaa epätarkkuutta törmäysoperaattoriin. Turbulenteista simulaatioista havaitaan, että turbulenssi vaikuttaa voimakkaasti plasmavirtaan johtaen pienennettyyn virrantiheyteen neoklassisiin ennusteisiin verrattuna. Laskennalliset rajoitteet estävät kvantitatiivisempien tulosten keräämisen.
Description
Supervisor
Groth, Mathias
Thesis advisor
Kiviniemi, Timo
Keywords
nuclear fusion, plasma, tokamak, bootstrap current
Other note
Citation