Assessment of reflectometry diagnostics for DEMO

Emanuel Alves Ricardo

Informações chave

Autores:

Emanuel Alves Ricardo (Emanuel Alves Ricardo)

Orientadores:

Filipe José Fernandes Manuel da Silva (Filipe José Fernandes Manuel da Silva); Stéphane Heuraux; Bruno Miguel Soares Gonçalves (Bruno Miguel Soares Gonçalves)

Publicado em

26/01/2022

Resumo

O DEMO será o primeiro protótipo de uma estação elétrica de fusão nuclear. Ao contrário dos tokamaks experimentais como o ITER, apenas os diagnósticos necessários para a proteção da máquina e controlo do plasma serão implementados. Uma das medidas fundamentais é a posição do plasma e a forma da última superfície magnética fechada, tipicamente medida com os diagnósticos magnéticos. O problema da sua implementação no DEMO são os grandes desvios associados à integração dos sinais que podem ocorrer durante a operação devido aos elevados níveis de radiação. Este fenómeno pode levar à estimativa errada da posição do plasma, colocando toda a operação em risco. O candidato principal para complementar ou substituir os diagnósticos magnéticos no DEMO é a reflectometria de microondas. Varrendo a frequência do sinal emitido, a reflectometria de micro-ondas consegue medir o perfil de densidade electrónica do plasma. Uma vez que a densidade electrónica está ligada directamente às superfícies de fluxo magnético, as medidas de reflectometria dão acesso à configuração magnética, permitindo medir a sua localização. A propagação em modo O é independente do campo magnético, o que o torna ideal para substituir os diagnósticos magnéticos. O reflectómetro de posição do DEMO (DEMO PPR) consiste num sistema de múltiplos reflectómetros distribuídos poloidalmente ao longo da parede da máquina em diferentes posições que será responsável pela reconstrução da separatriz. A otimização deste tipo de sistemas requere a simulação do processo de medida para diferentes vistas poloidais, anglos de emissão, geometrias de antena e configurações de plasma. O sistema final deve ser otimizado para o cenário base de operação e ser estável em relação aos possíveis desvios que possam ocorrer durante as descargas. O deslocamento do plasma, a turbulência ou atividade MHD são fenómenos que podem ocorrer durante o confina/mento do plasma, sendo necessário perceber a sua influência na performance das medidas. Por agora, o DEMO PPR está no seu estado inicial de desenvolvimento e há várias questões que precisam de ser investigadas antes de atingir o seu desenho final. Neste trabalho, nós estudamos o processo de otimização de sistemas PPR com uma abordagem geral, tendo em conta as mudanças futuras que possam ocorrer na geometria da máquina ou no plasma. As variáveis importantes de um sistema de vários reflectometros arbitrário foram identificadas e as técnicas e procedimentos para o otimizar foram desenvolvidos. A simulação destes sistemas é em geral uma tarefa complicada que envolve a definição de várias regiões de simulação e testar diferentes modelos de antenas e plasmas, o que é exigente do ponto de vista computacional e do tempo necessário para escrever os scripts para as simulações. Por esta razão, desenvolvemos um framework de suporte a múltiplas simulações de reflectometria que é capaz de automatizar todo o processo de simulação de um sistema de múltiplos reflectómetros para os códigos REFMUL*, uma família de códigos FDTD que tem sido usada para simulações de reflectometria. O utilizador define os ficheiros de configuração da geometria do sistema e do plasma, as bandas e a dependência entre as variáveis principais do problema. Depois, um script gera todos os modelos e scripts necessários para gerir e executar as simulações nos HPCs. Com a framework desenvolvida, o DEMO PPR foi otimizado usando o cenário de plasma da base de dados oficial da EUROfusion. 100 diferentes posições foram definidas ao longo da parede da máquina (gaps) e testámos duas configurações diferentes. Na primeira configuração, as antenas foram alinhadas perpendicularmente à parede. Esta configuração tem vantagens do ponto de vista da implementação das antenas. No entanto, os resultados mostram que existem posições no topo da máquina e na região do divertor que têm uma fraca performance de medida e em alguns casos o sinal é totalmente perdido. Na segunda configuração, as antenas foram alinhadas perpendicularmente à separatriz. Neste caso, uma vez que a direção do feixe emitido é aproximadamente paralelo ao gradiente da densidade, é expectável a diminuição do erro da medida. Os resultados confirmaram este princípio, melhorando as medidas em várias posições. Na região do topo e no divertor algumas posições continuaram a ter uma fraca performance de medida, sendo necessário variar o ângulo de emissão para verificar se existe uma configuração otimizada. Um dos problemas associado à otimização é que é necessário extrair a derivada de fase e calcular a amplitude detetada para muitas configurações diferentes. A análise dos resultados das simulações requerem o ajustamento manual dos parâmetros da análise dados, como a frequência de corte dos filtros ou o atraso do sinal recebido. Usando o princípio que um perfil de atraso de grupo que varie de forma lenta tem um desvio padrão mínimo se estiver bem filtrado, a deteção I/Q foi automatizada, denominando-se algoritmo IQA. Com esta técnica, foi possível analisar todas as simulações num tempo aceitável e selecionar a configuração otimizada. A máxima amplitude média mostrou ser um bom critério de selecção para a configuração otimizada. Os resultados mostram que, com exceção de algumas posições na zona do divertor, há uma configuração otimizada onde as medidas têm um erro baixo (< 1 cm) e minimizam as perdas de sinal. Com a configuração otimizada, a estabilidade do sistema foi testada para deslocamentos de plasma em várias direcções (0o, 90°, 180° e 270°). Os resultados mostram que o sistema é estável para deslocamentos macroscópicos na ordem dos 5 cm. O efeito da turbulência nas medidas de reflectometria foi também estudado numa posição equatorial do lado interior da máquina. Devido à falta de informação sobre as propriedades da turbulência dos plasmas do DEMO, as flutuações foram definidas com um modelo analítico. Um espectro do tipo Kolmogorov foi utilizado para gerar 400 amostras aleatórias de plasma para 16 diferentes níveis de amplitude (1 — 16%), compatíveis com a ordem de valores observados em tokamaks. Os resultados mostram que para maiores níveis de turbulência (> 5%), o erro da posição torna-se negativo devido à mudança da posição da camada de corte. Este efeito ocorre para todas as frequências, levando ao erro acumulativo que pode afetar a mediação da posição na ordem do valor limite do erro. Consoante o nível de turbulência é aumentado, a perda de potência detetada aumenta, o que pode ser um problema nas posições onde a distância plasma-parede é maior. De forma a comprovar a conhabilidade de todo o sistema, é necessário aplicar o mesmo procedimento nas restantes posições do sistema, o que envolve um elevado esforço computacional. As técnicas e os algoritmos desenvolvidos neste trabalho podem ser aplicados noutros estudos que envolvam a análise de um elevado número de simulações, incluindo estudos que envolvam outros tipos de reflectometria. DEMO will be the first prototype of a fusion power plant. Unlike experimental tokamaks like ITER, only the necessary diagnostics for machine protection and plasma control will be implemented. One of the fundamental measurements is the position and shape of the last closed magnetic surface, typically measured with the magnetic diagnostics. One of the major issues of its implementation in DEMO is the integration drifts that can occur during the steady state operation due to the high levels of nuclear radiation. This can lead to a wrong plasma position estimation, putting the operation at risk. The prime candidate to complement or substitute the magnetic diagnostics in DEMO is the microwave reflectometry. By sweeping the frequency of the probing beam, microwave reflectometry is capable of measuring the electron density profile. As the density is directly linked to the magnetic flux surfaces these measurements give access to the magnetic configuration, providing its local radial position. The O-mode propagation is independent from the magnetic field, being ideal for replacing the magnetic diagnostics. The DEMO plasma position reflectometer (DEMO PPR) consists a system of multireflectometers distributed poloidaly along the wall at different positions that will provide the separatrix reconstruction. The optimization of a PPR system requires the simulation of the measurement process for different poloidal views, emitting angles, antenna assemblies and plasma configurations. The final system must be optimized for the operation scenario and be stable under the possible deviations to its equilibrium that can occur during the discharges. For now, the DEMO PPR is in an early development stage and there are many questions that need to be investigated before reaching its final design. In this work we study the process of optimization of PPR systems with a general approach, taking into account the future changes in the geometry and plasma scenario. The important variables of a general multiple reflectometers system were identified and the techniques and the procedure to its optimization were developed. The simulation of such systems is in general a complex task that requires the definition of several different regions of interest and testing different antenna models and plasmas, which is a very demanding task from the computational point of view and of necessary time to write the simulation scripts. For this reason, we developed the structure of a high-level framework for multiple reflectometry simulations that is capable of automate all the simulation process of a multiple reflectometers system for the REFMUL* codes, a family of full-wave FDTD codes that has been used for reflectometry simulations. The user defines the configuration files of the system geometry and plasma, the probing bands and the dependence between the main variables of the problem. A main script creates all the necessary models and necessary scripts to manage and run all the simulations in the HPCs. (...)