Fast ions and turbulent particle transport in tokamaks

Doctoral thesis, 2019

Fusion-stjärnornas energikälla.

Kan vi bygga en sol här på jorden? Ja det kan vi men i nuläget kräver de så kallade fusionsanläggningarna mer energi än vi får ut. Nästa generations fusionsanläggning, som just nu byggs i Frankrike, ska generera nettoenergi. Det är ett internationellt projekt som vi i Sverige är med på.

Energin i solen kommer från fusionsreaktioner mellan laddade partiklar i ett plasma som innesluts av gravitation. För att generera fusionsenergi här på jorden kommer fusionsreaktionen mellan väteisotoperna deuterium och tritium utnyttjas vilket resulterar i en heliumisotop, en neutron och, viktigast av allt, energi. Temperaturen som krävs för att ha tillräckligt hög sannolikhet för denna fusionsreaktion är högre än den i solens kärna. Vid dessa temperaturer kommer väteisotoperna vara joniserade och bilda ett plasma.  De laddade partiklarna i plasmat interagerar med elektromagnetiska fält vilket utnyttjas i en tokamak. En tokamak är en torusformad fusionsanläggning där magnetfält används för att innesluta plasmat. Detta magnetfält skapas av externa spolar samt genom att en ström drivs genom plasmat. Energieffekten som kan genereras beror bland annat på densiteten av partiklar i plasmat. På grund av stabilitetsskäl kan inte densiteten vara för stor på kanten av plasmat så den radiella densitetsprofilen blir viktig. I denna avhandling använder vi olika numeriska modeller för att studera den småskaliga turbulenta transporten av partiklar som tillsammans med partikelkällor bestämmer densitetsprofilen i plasmat. Vi studerar också hur högenergetiska partiklar, som bildats från externa uppvärmningsprocesser samt funktionsreaktionerna, påverkar profilen. Till sist använder vi en endimensionell modell för att studera interaktionen mellan högenergetiska partiklar och så kallade toroidala Alfvén vågor vilket också leder till partikeltransport.