Neutral beam injection simulations in the Wendelstein 7-X stellarator

Abstract

Stellarator fusion devices have seen a resurgence of interest in recent years, culminating in the building of the Wendelstein 7-X (W7-X) optimized stellarator in Germany. Compared to tokamaks, stellarators have the advantage of having no externally driven electric current.

However, their non-axisymmetric nature makes it difficult to achieve closed particle orbits. The neutral beam injection (NBI) heating system will be a significant source of fast ions in W7-X, hence predictive modeling of the fast ion confinement is required for machine protection and scenario development. In this thesis, methods for numerical simulations of NBI ions in W7-X are established. Stellarator-specific magnetic field and radial electric field modules were implemented for ASCOT5, the latest development version of the Monte-Carlo orbit-following code ASCOT. Neutral beam injection in the W7-X high mirror ratio scenario was simulated with the BBNBI code, and subsequently the beam ion distribution and wall loads with ASCOT4. The results imply that the global confinement percentage of fast particles is higher than average, and the power loads low, in this scenario, although high local wall loads were also observed.

Stellaraattori-tyyppiset fuusiolaitteet ovat viime vuosina tuottaneet yhä lupaavampia tuloksia, yhtenä tärkeimmistä Wendelstein 7-X stellaraattorin hyvin menestynyt ensimmäinen koekamppanja.

Stellaraattorit ovat jatkuvatoimisia laitteita eivätkä vaadi ulkoisesti tuotettua plasmavirtaa, mutta niissä tarvitaan magneettikentän optimointia hiukkasten koossapidon varmistamiseksi. Erityisen vaarallisia ovat neutraalisuihkukuumennuksessa syntyvät nopeat ionit, joiden mallintaminen ennen kuumennuksen käyttöönottoa on tärkeää riskien kartoittamiseksi. Tässä työssä esittelemme menetelmiä neutraalisuihkujen mallinnukseen stellaraattoreissa. Stellaraattorien simuloimiseen vaadittavat magneetti- ja sähkökenttäominaisuudet lisättiin Monte Carlo-koodi ASCOT:n uusimpaan versioon. Neutraalisuihkujen toimintaa simuloitiin BBNBI-ohjelmalla, jonka jälkeen ionien ratoja seurattiin ASCOT4-ohjelmalla virtuaalisessa Wendelstein 7-X:ssä. Tulokset osoittivat, että nopeiden hiukkasten koossapito tutkituilla asetuksilla on kohtuullisen hyvä, mutta ionit saattavat paikallisesti aiheuttaa suuria seinäkuormia.