Fast ions and turbulent particle transport in tokamaks
Doktorsavhandling, 2019

The presence of highly energetic (fast) ions, be it fusion born alpha particles or ions accelerated by auxiliary heating schemes, can affect the heating and transport of all particles in the plasma through two main mechanisms. First, fast ions may excite fast ion driven instabilities. One such example is the toroidal Alfvén eigenmode (TAE) that can be excited by super Alfvénic ions as they slow down due to friction-like collisions with the background plasma and eventually hit the wave-particle resonances. In addition, the fast ions may influence the turbulent transport, driven by temperature and density gradients in the background plasma. The turbulent particle transport, together with particle sources, determines the peaking of the density profile in fusion devices which in turn affect the fusion power generated.

In this thesis we employ a simple one-dimensional electrostatic ``bump-on-tail'' model to qualitatively describe fast ion driven TAEs whose signals exhibit frequency sweeping. The frequency sweeping is tied to the formation and evolution of phase space structures known as holes and clumps in the non-thermal fast particle distribution. We have also made realistic simulations of particle transport driven by Ion Temperature Gradient (ITG) modes in JET plasmas heated by neutral beam injection (NBI). We study the turbulent transport using fluid, gyro-fluid and gyrokinetic simulations. Focus is on particle transport and the effect of the NBI generated fast ions on the density peaking and, finally, the influence of the NBI particle source on the density peaking.

NBI

numerical modelling

turbulence

drift waves

bump-on-tail

density peaking

Fusion plasma physics

wave-particle interaction

EA
Opponent: Dr Jeronimo Garcia, Senior researcher and group leader at CEA France and Task force leader at JET, UK

Författare

Frida Eriksson

Chalmers, Rymd-, geo- och miljövetenskap, Astronomi och plasmafysik, Plasmafysik och fusionsenergi

Impact of fast particles and nonlocal effects on turbulent transport in plasmas with hollow density profiles

44th EPS Conference on Plasma Physics, 26 - 30 June 2017, Belfast,; (2017)

Paper i proceeding

Kinetic theory of phase space plateaux in a non-thermal energetic particle distribution

Physics of Plasmas,; Vol. 22(2015)p. art.no. 092126-

Artikel i vetenskaplig tidskrift

Directivity of frequency sweeping kinetic instabilities

40th EPS Conference on Plasma Physics, EPS 2013; Espoo; Finland; 1 July 2013 through 5 July 2013,; Vol. 1(2013)p. 421-424

Paper i proceeding

F.Eriksson, M.Oberparleiter, A.Skyman, H.Nordman, P.Strand, A.Salmi, T.Tala Impact of fast ions on density peaking in JET:fluid and gyrokinetic modelling

F.Eriksson, E.Fransson, M.Oberparleiter, H.Nordman, P.Strand, A.Salmi, T.Tala Interpretative and predictive modelling of JET collisionality scans

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.

Drivkrafter

Hållbar utveckling

Styrkeområden

Energi

Fundament

Grundläggande vetenskaper

Lärande och undervisning

Pedagogiskt arbete

Ämneskategorier

Fusion, plasma och rymdfysik

ISBN

978-91-7905-136-5

Doktorsavhandlingar vid Chalmers tekniska högskola. Ny serie: 4603

Utgivare

Chalmers tekniska högskola

EA

Opponent: Dr Jeronimo Garcia, Senior researcher and group leader at CEA France and Task force leader at JET, UK

Mer information

Senast uppdaterat

2019-06-03