Fast ion simulations in toroidally asymmetric tokamaks - Model validation with fast ion probes at ASDEX Upgrade and predictive modelling of ITER

dc.contributorAalto-yliopistofi
dc.contributorAalto Universityen
dc.contributor.advisorKurki-Suonio, Taina, PhD., Aalto University, Department of Applied Physics, Finland
dc.contributor.authorÄkäslompolo, Simppa
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.accessioned2016-02-26T10:01:22Z
dc.date.available2016-02-26T10:01:22Z
dc.date.defence2016-03-18
dc.date.issued2016
dc.description.abstractThe world electricity demand is increasing due to the growing global population striving for an ever-improving standard of living. Fusion energy research has the goal of bringing the energy source of the stars to Earth. The leading scheme is to magnetically confine a very hot plasma within a tokamak reactor. This thesis studies the energetic particles produced by the external heating of the plasma and by the fusion reactions themselves. The energetic particles carry a risk of damaging the reactor walls, if they are allowed to escape the plasma. This may occur if the carefully tuned magnetic field is perturbed by, e.g., introducing components made out of ferromagnetic materials to the tokamak. A quantitative study of the confinement of the fast, energetic particles requires careful calculation of the perturbation, followed by detailed simulations of fast ion behaviour with validated tools. In this work, the perturbative effect of the European test blanket modules (TBMs) of ITER were analysed. The TBMs, containing ferromagnetic steel, are needed for testing the technology for breeding tritium fuel from lithium. The magnetisation of the TBMs was computed with the finite element method using a geometry of unprecedented detail. Subsequently, the ASCOT code was used to assess the confinement of neutral beam injected (NBI) deuterons and fusion alpha particles. As the main result, the TBMs were found to be compatible with fast ion confinement requirements, at least in the 15MA Q=10 inductive scenario, the baseline ITER plasma. The fast ion modelling tools were validated with measurements at the ASDEX Upgrade tokamak: the flux of NBI ions was measured with the fast ion loss diagnostics (FILD) and the flux of fusion protons with the activation probe. The ASCOT simulations are in qualitative agreement with FILD measurements. The activation probe facilitated quantitative analysis. This required the development of an adjoint Monte Carlo method for calculating charged particle fluxes to the wall. The new method was used in the fusion proton modelling, the results of which agree quite well with mea- surements even quantitatively. The work presented here affirms the viability of the TBM design. It also validates and expands the fast ion behaviour and diagnostics modelling toolbox.en
dc.description.abstractMaailman kasvavan väestön nouseva elintaso vaatii kasvavassa määrin sähköenergiaa. Tämä väitöskirja on fuusioenergiatutkimuksen alalta, jonka tavoitteena on löytää keino tuottaa sähköä hyödyntäen tähtien energianlähdettä. Tällä hetkellä lupaavin fuusioreaktorikonsepti on tokamak, jossa on erittäin kuumaa plasmaa vangittuna magneettiseen pulloon. Plasman kuumentaminen ja itse fuusioreaktiot tuottavat erityisen korkeaenergisiä hiukkasia, jotka saattavat vahingoittaa tokamakin seiniä, mikäli pääsevät hallitsemattomasti karkaamaan plasmasta. Niin voi esimerkiksi käydä, jos tokamakiin asennetaan ferromagneettista materiaalia sisältäviä komponentteja, jotka häiritsevät hienosäädettyä magneettikenttää. Häiriön vaikutusten arviointi vaatii ensinnäkin häiriön huolellisen laskemisen ja toiseksi energeettisten hiukkasten käytöksen mallinnuksen kelvollisiksi osoitettuja menetelmiä käyttäen. Tässä työssä tutkittiin ferromagneettisesta terästä sisältävän tritiumin hyötämisen testilaitteiston (THTL) aiheuttaman magneettisen häiriön vaikutusta ITER-tokamakissa. Eurooppalaisen THTL:n magnetisaatio laskettiin elementtimenetelmällä, minkä jälkeen neutraalisuihkutettujen deuteronien ja fuusioperäisten α-hiukkasten käytöstä tutkittiin ASCOT ohjelmistolla. Työn keskeinen tulos on, että eurooppalaisen THTL:n ei havaittu heikentävän liiallisesti energeettisten ionien koossapitoa ainakaan ITER in lähtökohtaisessa 15MA Q=10 induktiivisessa skenaariossa. Energeettisten ionien mallinustyökalun kelvollisuus varmistettiin mallintamalla ASDEX Upgrade tokamakilla tehtyjä mittauksia. Fuusioprotoneja mitattiin aktivaatiokoettimella ja neutraalisuihkudeuteroneja FILD -koettimella. ASCOT -tulokset ovat laadullisesti yhtäpitäviä FILD mittauksien kanssa. Aktivaatiokoettimen mallinnus oli jopa määrällisesti yhteensopiva mittausten kanssa, mutta vertailun suorittamiseksi täytyi kehittää adjungoitu Monte Carlo -menetelmä seinälle tulevan hiukkasvuon laskemiseen. Tässä väitöskirjassa esitetty työ vahvistaa luottamusta eurooppalaisen tritiumhyötö-laitteiston kelpoisuuteen. Työn edetessä luotiin uusia energeettisten hiukkasten mallinnustyökaluja ja varmistettiin menetelmien kelvollisuus.fi
dc.format.extent94 + app. 56
dc.format.mimetypeapplication/pdfen
dc.identifier.isbn978-952-60-6676-9 (electronic)
dc.identifier.isbn978-952-60-6675-2 (printed)
dc.identifier.issn1799-4942 (electronic)
dc.identifier.issn1799-4934 (printed)
dc.identifier.issn1799-4934 (ISSN-L)
dc.identifier.urihttps://aaltodoc.aalto.fi/handle/123456789/19798
dc.identifier.urnURN:ISBN:978-952-60-6676-9
dc.language.isoenen
dc.opnTuccillo, Angelo, Dr., Italian National Agency for New Technologies, Energy and Sustainable Economic Development ENEA, Italy
dc.publisherAalto Universityen
dc.publisherAalto-yliopistofi
dc.relation.haspart[Publication 1]: Simppa Äkäslompolo, Otto Asunta, Thijs Bergmans, Mario Gagliardi, Jose Galabert, Eero Hirvijoki, Taina Kurki-Suonio, Seppo Sipilä, Antti Snicker, and Konsta Särkimäki. Calculating the 3D magnetic field of ITER for European TBM studies. Fusion Engineering and Design, Volume 98-99, Pages 1039-1043, October 2015. arxiv.org/abs/1506.00659, DOI: 10.1016/j.fusengdes.2015.05.038
dc.relation.haspart[Publication 2]: Simppa Äkäslompolo, Tuomas Koskela and Taina Kurki-Suonio. Biot Savart Law integrator BioSaw. Computer Physics Communicatfions, arxiv.org/abs/1511.01629v1, 5 pages, 2015.
dc.relation.haspart[Publication 3]: Simppa Äkäslompolo, Taina Kurki-Suonio, Otto Asunta, Mario Cavinato, Mario Gagliardi, Eero Hirvijoki, Gabriella Saibene, Seppo Sipilä, Antti Snicker, Konsta Särkimäki, and Jari Varje. ITER fast ion confinement in the presence of the European test blanket module. Nuclear Fusion, Volume 55, Number 9, 093010, Pages 1-11, August 2015. DOI: 10.1088/0029-5515/55/9/093010
dc.relation.haspart[Publication 4]: Otto Asunta, Simppa Äkäslompolo, Taina Kurki-Suonio, Tuomas Koskela, Seppo Sipilä, Antti Snicker, Manuel García-Muñoz and the ASDEX Upgrade team. Simulations of fast ion wall loads in ASDEX Upgrade in the presence of magnetic perturbations due to ELM-mitigation coils. Nuclear Fusion, Volume 52, Number 9, 94014. Pages 1-7, September 2012. DOI: 10.1088/0029-5515/52/9/094014
dc.relation.haspart[Publication 5]: Simppa Äkäslompolo, Georges Bonheure, Giovanni Tardini, Taina Kurki-Suonio and the ASDEX Upgrade team. Adjoint Monte Carlo simulation of fusion product activation probe experiment in ASDEX Upgrade tokamak. Journal of Instrumentation, volume 10, 10012, Pages 0-9, October 2015. DOI: 10.1088/1748-0221/10/10/P10012
dc.relation.ispartofseriesAalto University publication series DOCTORAL DISSERTATIONSen
dc.relation.ispartofseries36/2016
dc.revMantsinen, Mervi, Prof., ICREA-Barcelona Supercomputing Center, Spain
dc.revWesterhof, Egbert, Dr., Duch Institute for Fundamental energy Research DIFFER, Netherlands
dc.subject.keywordnuclear fusionen
dc.subject.keywordplasmaen
dc.subject.keywordtokamaken
dc.subject.keywordITERen
dc.subject.keywordtest blanket moduleen
dc.subject.keywordmagnetisationen
dc.subject.keywordfast ionen
dc.subject.keywordactivation probeen
dc.subject.keywordFILDen
dc.subject.keywordydinfuusiofi
dc.subject.keywordplasmafi
dc.subject.keywordtokamakifi
dc.subject.keywordTHTLfi
dc.subject.keywordmagnetisaatiofi
dc.subject.keywordenergeettiset ionitfi
dc.subject.keywordaktivaatio koetinfi
dc.subject.otherPhysicsen
dc.titleFast ion simulations in toroidally asymmetric tokamaks - Model validation with fast ion probes at ASDEX Upgrade and predictive modelling of ITERen
dc.titleEnergeettisten ionien mallinnusta toroidaalisesti epäsymmetrisissä tokamakeissafi
dc.typeG5 Artikkeliväitöskirjafi
dc.type.dcmitypetexten
dc.type.ontasotDoctoral dissertation (article-based)en
dc.type.ontasotVäitöskirja (artikkeli)fi
local.aalto.archiveyes
local.aalto.formfolder2016_02_25_klo_16_59
Files
Original bundle
Now showing 1 - 4 of 4
No Thumbnail Available
Name:
isbn9789526066769.pdf
Size:
16.6 MB
Format:
Adobe Portable Document Format
No Thumbnail Available
Name:
article3.pdf
Size:
2.98 MB
Format:
Adobe Portable Document Format
Description:
publishers version
No Thumbnail Available
Name:
article4.pdf
Size:
2.43 MB
Format:
Adobe Portable Document Format
Description:
publishers version
No Thumbnail Available
Name:
article5.pdf
Size:
3.12 MB
Format:
Adobe Portable Document Format
Description:
publishers version