Gyrokinetic simulations of microturbulence and transport in tokamak plasmas

Doctoral thesis, 2017

Slå ihop två väteisotoper och du får helium, en neutron och, viktigast av allt, energi. Fusionsenergi är en lovande framtida energikälla med liten miljöpåverkan och betydligt mindre risker än dagens kärnkraft. De höga temperaturerna som krävs innebär att väteisotoperna kommer vara joniserade.  De bildar därmed ett plasma där de laddade partiklarna växelverkar med elektromagnetiska fält. Tack vare detta kan plasmat även hållas på plats och kontrolleras av magnetiska fält. Detta drar man nytta av i en tokamak, en torusformad fusionsanläggning där magnetfältet skapas av en kombination av fältet från externa spolar och genom att en ström drivs genom plasmat. Det visade sig tidigt att plasmat inte lät sig tämjas så lätt som man hade trott. Småskalig turbulens som drivs av de stora temperatur- och densitetsgradienterna leder till transport av energi och partiklar som är mycket större än den som enbart kollisioner mellan partiklarna hade orsakat. Stora resurser har under de senaste decennierna satsats på att karakterisera, förstå och i viss mån kontrollera denna turbulenta transport. 

Tokamaken ITER byggs just nu utanför Cadarache i Frankrike. Den kommer ha väggar som består av beryllium och wolfram.  En liknande vägg har testats på JET, den just nu största tokamaken i världen.  Den nya väggen ger upphov till nya orenheter i plasmat och om dessa transporteras inåt får det negativa konsekvenser genom att de späder ut plasmat och kan stråla energi. Den turbulenta värmetransporten har också förändrats med den nya väggen på JET. För att fusionskraftverk ska bli ekonomiska krävs tillräckligt bra värmeinneslutning.

Partikeltransporten behöver inte enbart vara av ondo. Till skillnad från vid vanlig diffusion kan under vissa förutsättningar den turbulenta transporten av partiklar ske mot större tätheter. Partiklarna förloras kontinuerligt både till väggen och via fusionsreaktionerna och måste därför ersättas. Detta kan bland annat göras genom att skjuta in frusna pellets av olika väteisotoper. Dessa blir till plasma i yttre delarna av plasmat och partiklarna måste för att maximera energiproduktionen därefter transporteras inåt mot centrum där temperaturen är störst och flest fusionsreaktioner sker. 

Detta är några av problemen som studeras i denna avhandling med hjälp av storskaliga datorsimuleringar. Med hjälp av dessa numeriska experiment kan turbulensen studeras i större detalj än vad som är möjligt på annat sätt. Partiklarnas statistiska fördelning följs i tre rymd- och två hastighetsdimensioner med hjälp av så kallade gyrokinetiska simuleringar.