Estimation of ITER FILD fast ion fluxes using ASCOT simulations

Thumbnail Image

Files

master_Hyvärinen_Otso_Juhani_2023.pdf (3.02 MB)

URL

Journal Title

Journal ISSN

Volume Title

Perustieteiden korkeakoulu | Master's thesis
Unless otherwise stated, all rights belong to the author. You may download, display and print this publication for Your own personal use. Commercial use is prohibited.

Authors

Date

2023-08-22

Department

Major/Subject

Advanced Energy Technologies

Mcode

SCI3106

Degree programme

Master’s Programme in Engineering Physics

Language

en

Pages

52

Series

Abstract

One of the main goals of the ITER project is to reach Q = 10 operation. At these conditions, alpha particles will be the dominant source of plasma heating. Therefore, it is essential to understand how well these particles are confined. The fast ion loss detector (FILD) will be installed to test new models for the fast alpha particle losses. The objective of this thesis is to show that the ITER FILD is expected to measure fusion-born alpha particle fluxes larger than the background noise in Ip = 15 MA H-mode baseline. Furthermore, the effect of the neutral beam injector (NBI) heated deuterium ions on the FILD signal was studied. Velocity-integrated pinhole fluxes were analyzed from the ASCOT simulation with two different schemes. A uniform flux approximation resulted in a signal strength two orders of magnitude larger than the threshold for fusion-born alpha particles. A more accurate estimation method, voxel sum estimate, resulted in three orders of magnitude larger estimated pinhole flux compared to the threshold for fusion-born alpha particles. For NBI deuterium ions, the voxel sum estimate gave a factor of 500 larger than the threshold deuterium ion flux. However, neither of estimates include analysis of the velocity-space distribution of the incoming particle flux, so the estimations of only pinhole fluxes exceed the observable signals from the scintillator plate corresponding to the pinhole fluxes. The velocity-space of the incoming fluxes response on the scintillator plate was analyzed with the FILDSIM code. The results show that, when NBI is turned on, low-energy response (gyroradius < 6 cm) is dominated by the NBI, and fusion-born alpha particle response cannot be identified. However, higher energy response is caused by only fusion-born alpha particles, and low-energy response is observed if NBI is turned off. The magnitude of the peak fusion-born alpha particle response from the scintillator plate indicated that signal from fusion-born alpha particles is observable as low as 4% of the nominal fusion power.

ITERin yksi tärkeimmistä tieteellisistä tavoitteista on saavuttaa Q = 10 operaatio, jolloin alfahiukkaset ovat suurimpana vastuussa plasman lämmittämisestä. Tämän saavuttamiseksi on tärkeää ymmärtää kuinka hyvin fuusioalfat ovat vangittuina, ja milloin ja minkä nopeusavaruuden alfoja häviää plasmasta. Tätä mittausta varten ITERiin asennetaan FILD (fast ion loss detector), mikä mittaa nopeusavaruusjakauman siihen törmäävistä hävinneistä alfoista. FILDstä saatu data auttaa testaamaan alfahäviömalleja, joiden pohjalta plasman suorituskykyä voidaan parantaa. Tämän maisterityön tavoitteena on osoittaa, että ITER FILDin odotetaan saavan erotettavissa olevaa signaalia fuusioalfoista Ip = 15 MA H-moodin peruskentässä. Lisäksi työssä tarkastellaan neutraalisädeinjektorin (NBI) lämmittämien deuteriumionien vaikutusta signaaliin. FILD-signaalin nopeusintegroitu neulanreikähiukkasvuo analysoitiin ASCOT-simulaatioista kahdella menetelmällä. Yhtenäisen vuon approksimaatio fuusioalfoille johti signaalin voimakkuuteen, joka oli kaksi suuruusluokkaa suurempi kuin fuusioalfojen kynnys taustasäteilystä. Tarkempi estimointimenetelmä, vokselisummaestimaatti, johti kolme suuruusluokkaa suurempaan neulanreikävuohon verrattuna fuusioalfojen kynnysarvoon. NBI-deuteriumionien osalta vokselisumma-arvio antoi 500-kertaa deuteriumin kynnysarvoa suuremman arvon. Tuikelevyyn saapuvan hiukkasvuon nopeusavaruus analysoitiin FILDSIM-koodilla. Saadut tulokset osoittivat, että sekä fuusioalfojen että NBI-deuteriumionien vasteet ovat nähtävissä tuikelevyssä, mutta vasteet ovat osittain päällekkäisiä. Matalaenerginen hiukkasvaste (gyrosäde < 6 cm) on peittynyt NBI-vasteen alle, eikä fuusioalfavastetta voida tällä alueella erottaa. NBI ei kuitenkaan aiheuta suurienergistä vastetta, ja niiltä osin fuusioalfat ovat havaittavissa. Lisäksi matalaenerginen vaste havaitaan, kun NBI on kytketty pois päältä. Tuikelevyn fuusioalfojen huippuvasteen suuruus osoitti, että fuusioalfa-signaali voidaan havaita jo 4 %:ssa nimellisestä fuusiotehosta.

Description

Supervisor

Groth, Mathias

Thesis advisor

Snicker, Antti

Keywords

ITER, FILD, fusion-born alpha, particle flux, ASCOT, velocity-space

Other note

Citation

Permanent link to this item

https://urn.fi/URN:NBN:fi:aalto-202308275107

Collections

[dipl] Perustieteiden korkeakoulu / SCI