Gyrokinetic simulations of microturbulence and transport in tokamak plasmas
Doktorsavhandling, 2017

Fusion power is one of few viable and sustainable means of energy production. The tokamak is arguable the most mature technology to magnetically confine fusion plasmas. In these devices, heat and particle transport is dominated by small-scale turbulent fluctuations. Using high performance computing resources these phenomena can be studied in detail through numerical experiments. The Joint European Torus (JET) is currently the largest tokamak in operation. Recently, the plasma facing components of JET were changed from carbon to metal — beryllium and tungsten. This in order to better align with the design foreseen for ITER, a next-generation device under construction in Cadarache in France. With this new wall, new impurities were introduced into the plasma. Impurities, any ion that is not a reactant in the fusion reactions, are detrimental to the fusion power as they dilute the plasma and can radiate energy. It is therefore important to study the transport of impurities and how it is affected by different operational parameters. The change of wall material has also led to a degradation in energy confinement for certain types of discharges at JET. Energy confinement must be optimized in future fusion devices for them to be economically viable. Another important issue for ITER is the refuelling of the plasma through pellet injection. The frozen hydrogen pellets are injected at high speed into the plasma. When they ablate, they perturb the density and temperature profiles. This changes the properties of the microturbulence which might hinder the particles from reaching the core of the plasma. The present thesis aims at an improved understanding of these urgent issues by means of gyrokinetic simulations of particle and heat transport driven by Ion Temperature Gradient (ITG) and Trapped Electron (TE) mode turbulence.

ITG

Joint European Torus

impurities

transport

fusion

TEM

tokamak

turbulence

plasma physics

gyrokinetics

EA-salen, Hörsalsvägen 11
Opponent: Professor Volker Naulin, Technical University of Denmark, Denmark

Författare

Daniel Tegnered

Chalmers, Rymd- och geovetenskap, Plasmafysik och fusionsenergi

Comparative gyrokinetic analysis of JET baseline H-mode core plasmas with carbon wall and ITER-like wall

Plasma Physics and Controlled Fusion,; Vol. 58(2016)

Artikel i vetenskaplig tidskrift

Gyrokinetic modelling of stationary electron and impurity profiles in tokamaks

Physics of Plasmas,; Vol. 21(2014)p. 092305-

Artikel i vetenskaplig tidskrift

D. Tegnered, M. Oberparleiter, H. Nordman, P. Strand, L. Garzotti, I. Lupelli et al. Gyrokinetic simulations of particle transport in pellet fuelled JET discharges.

D. Tegnered, M. Oberparleiter, P. Strand, H. Nordman. Impact of a hollow density profile on turbulent particle fluxes: gyrokinetic and fluid simulations.

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.

Drivkrafter

Hållbar utveckling

Styrkeområden

Energi

Ämneskategorier

Fusion, plasma och rymdfysik

ISBN

978-91-7597-560-3

Doktorsavhandlingar vid Chalmers tekniska högskola. Ny serie: 4241

Utgivare

Chalmers tekniska högskola

EA-salen, Hörsalsvägen 11

Opponent: Professor Volker Naulin, Technical University of Denmark, Denmark