Turbulent transport in tokamak plasmas: linear-, quasi- and non-linear simulations
Doktorsavhandling, 2023

An attractive energy source is nuclear fusion with its abundance of fuel, intrinsic safety and limited environmental impact. Although the concept of fusion energy was established in the 1920s, to develop fusion as an energy source has been challenging. The most developed concept for fusion is the tokamak, a torodial shaped chamber where a plasma, a hot ionized gas, is confined with a strong magnetic field. The feasibility and efficiency of the future fusion power plants depend critically on the energy confinement properties of the tokamaks which are mainly determined by micro turbulence.
The turbulent transport is driven by different instabilities in the plasma, especially the Ion Temperature Gradient (ITG) mode, Trapped Electron Mode (TEM) and Electron Temperature Gradient (ETG) mode. The work presented in this thesis focuses on a number of key aspects of turbulent transport using advanced numerical modelling tools.
In today's experiments, measurements have shown the plasma's densities to be peaked towards the centre of the plasma. Research into this peaking has uncovered two key mechanisms, a strong particle pinch from the turbulent transport and a particle source from Neutral Beam Injection which is used to heat plasma. In future tokamaks the source will be comparatively smaller, hence it is important to distinguish which of the two provides the dominant contribution. Which is one of the aspects analysed in the thesis.
From basic considerations, the turbulent transport should exhibit so called gyro-Bohm scaling, i.e. the transport should increase with the ionic mass. However, this is not observed experimentally and the discrepancy is called the isotope effect. Several mechanism has been suggested as the cause, such as collisions, ExB shear, beta-effects, edge effects and contribution of the ETG mode. A number of JET discharges design to study this isotope effect have been analysed to asses the relative importance of these effects,
Calculation of the turbulent transport can be computationally expensive, therefore reduced quasi-linear models that are computationally less intensive have been developed. These models use linear relations between perturbed quantities combined with a saturation rule for the electrostatic potential to determine the turbulent fluxes. A saturation rule adapted to a quasi-linear model has been developed and validated against non-linear gyro-kinetic simulations which are characterized by a high degree of physics fidelity.

Fusion – Plasma physics – Turbulent transport – Gyrofluid – Gyrokinetic

EE
Opponent: Jonathan Citrin, DIFFER, The Netherlands

Författare

Emil Fransson

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

Interpretative and predictive modelling of Joint European Torus collisionality scans

Plasma Physics and Controlled Fusion,;Vol. 61(2019)

Artikel i vetenskaplig tidskrift

Collisionality driven turbulent particle transport changes in DIII-D H-mode plasmas

Nuclear Fusion,;Vol. 60(2020)

Artikel i vetenskaplig tidskrift

Upgrade and benchmark of quasi-linear transport model EDWM

Physics of Plasmas,;Vol. 29(2022)

Artikel i vetenskaplig tidskrift

Comparing particle transport in JET and DIII-D plasmas: gyrokinetic and gyrofluid modelling

Nuclear Fusion,;Vol. 61(2021)

Artikel i vetenskaplig tidskrift

E. Fransson, L.-G. Eriksson, D.B. King, H. Nordman, P. Strand, E. Viezzer, D. Yadikin and JET Contributors On the role of the main isotope for the core confinement in JET H-modes

En av de största utmaningarna som mänskligheten ställs inför är brist på miljövänlig och säker energi. En attraktiv framtida energikälla är nukleär fusion med dess överflöd av bränsle, säkerhet och begränsad påverkan på miljön. Fusion är processen där två lättare ämnen slås samman och bindningsenergi omvandlas till rörelseenergi. Detta är även processen som skapar energi i stjärnorna där gravitationen håller samman ämnena som är med i fusionprocessen. Eftersom partiklarna som slås samman är positivt laddade kärnor måste de ha hög energi för att övervinna Coulombkraften och detta medför att ämnena måste vara i ett plasmatillstånd, en varm joniserad gas. Mänskligheten har försökt att replikera stjärnornas energikälla i mer än ett halvt sekel. Ett av de mest lovande koncepten för fusion här på jorden är tokamaken som är en torusformad kammare där partiklarna hålls på plats av ett starkt magnetiskt fält. Genomförarbarheten och effektiviteten av ett framtida kraftverk beror på hur vi kan begränsa energi- och partikeltransporten i tokamaken. Det största bidraget till transporten i dagens tokamaker kommer från turbulensen som är driven av mikroinstabiliteter. De mest betydelsefulla mikroinstabiliteterna är ”Ion Temperature Gradient”-moden, ”Trapped Electon Mode” samt ”Electron Temperature Gradient”-moden. Denna avhandling är fokuserad på ett antal nyckelkoncept för den turbulenta transporten i tokamakplasman.

Drivkrafter

Hållbar utveckling

Styrkeområden

Energi

Fundament

Grundläggande vetenskaper

Ämneskategorier

Fusion, plasma och rymdfysik

ISBN

978-91-7905-839-5

Doktorsavhandlingar vid Chalmers tekniska högskola. Ny serie: 5305

Utgivare

Chalmers

EE

Online

Opponent: Jonathan Citrin, DIFFER, The Netherlands

Mer information

Senast uppdaterat

2023-04-14