Runaway electrons in fusion plasmas

Research Project, 2015 – 2018

Inom projektet behandlas högenergetiska elektroners uppkomst och dynamik i fusionsreaktorer. Snabba elektroner förekommer ofta i tokamakplasmor i samband med plasmadisruptioner då plasmats inneslutning plötsligt bryts. Under sådana omständigheter kan en del av plasmaströmmen omvandlas till en smal stråle av skenande elektroner, som kan skada reaktorväggen allvarligt (ungefär på samma sätt som en okontrollerbar svetslåga). I tokamaker med stark plasmaström, som ITER, är effekterna av skenande elektroner extra allvarliga. Om plasmaströmmen är stark, kan det uppstå ett skred, vilket kan leda till att i stort sett hela plasmaströmmen omvandlas till en stråle av relativistiska elektroner. Uppkomsten av dessa skenande elektroner bör undvikas till varje pris. Det finns lovande experimentella resultat som visar att man i vissa fall kan transportera bort snabba elektroner på ett skonsamt sätt, om man t.ex skapar små störningar i det inneslutande magnetiska fältet eller exciterar interna småskaliga instabiliteter som leder till högre transport. Ett annat sätt att reducera skadliga effekter är att injicera gas eller pellets för att öka densiteten och kyla plasmat på ett kontrollerat sätt. Eftersom plasmaströmmen i ITER kommer att vara nästan tio gånger starkare än strömmen i de nuvarande experimenten, kan man inte testa dessa metoder i full skala experimentellt. Teori och modellering är extremt viktiga i det här fallet. För att förbereda ITER-experimentet och planera DEMO behöver man utarbeta scenarier där man kan undvika skenande elektroner eller kan begränsa deras skadliga effekter. Det här behöver göras med hjälp av numeriska simuleringar som är noggrannt validerade mot existerande experiment. Målet med projektet är att utveckla en självkonsistent beskrivning av skenande elektroner i disruptioner, inklusive förlustmekanismerna, med syftet att kunna föreslå möjliga sätt att stoppa elektronstrålen. Vi ska bland annat studera vilka instabiliteter som drivs av skenande elektroner och deras effekt på strålens dynamik. Vi tänker även beräkna synkrotronstrålning och energi- och radiell fördelning av elektronstrålen, dels för att kunna jämföra med experimentella observationer och dels för att få bättre förståelse för de dominanta fysikaliska processerna. Arbetet genomförs i samarbete med både experimentella och teoretiska fysiker i Europa och USA.