Resonant interaction of fusion alphas and shear-acoustic Alfvén eigenmodes in burning plasmas

João Miguel Pires Palma

Key information

Authors:

João Miguel Pires Palma (João Miguel Pires Palma)

Supervisors:

Paulo Jorge Rodrigues (Paulo Jorge Rodrigues)

Published in

November 28, 2023

Abstract

Em reatores de fusão nuclear futuros, espera-se que a energia das partículas alfa produzidas leve à ignição do plasma. No entanto, a sua interação ressonante com modos de Alfvén pode transportar estas partículas alfa do centro do plasma em direção à estrutura do reator. A maioria dos estudos sobre estas interações centrou-se principalmente em ondas de cisalhamento incompressíveis da relação de dispersão das ondas de Alfvén. No entanto, resultados recentes indicam que acoplamentos dos ramos de cisalhamento e acústico podem produzir modos próprios compressíveis também capazes de interagir de forma ressonante com alfas de fusão. O objetivo deste projeto é implementar a ferramenta numérica não-linear gama para simular sistemas de interação modo-partícula, capaz de abordar a física dos modos compressíveis. Este software é usado para estudar os efeitos da compressibilidade em modos do ITER, e para compreender o papel dos modos acústicos na interação com partículas alfa produzidas em reações de fusão. O código gama foi testado e os seus resultados na fase linear da interação estão de acordo com as taxas de crescimento previstas por um código linear independente CASTOR-K. A estabilidade de um cenário do ITER mostra-se fortemente suscetível aos efeitos de compressibilidade, uma vez que os modos compressíveis estudados apresentam taxas de crescimento inferiores aos modos encontrados em estudos anteriores (assumindo incompressiblidade). Por outro lado, os modos acústicos apresentam taxas de crescimento uma ordem de grandeza mais baixas do que modos de cisalhamento, mas não foi possível chegar a conclusões relativamente à sua amplitude de saturação. In future nuclear-fusion reactors, the energy of the alpha particles produced is expected to ignite and keep the fuel plasma burning. Yet, resonant interaction with Alfvén Eigenmodes (AEs) may transport these alphas away from the fusing core and towards the reactor structure. Research about such resonant interactions has focused mainly on waves from the incompressible shear branch of the Alfvén dispersion relation. However, recent results indicate that shear-acoustic branch couplings may also produce compressible AEs able to resonantly interact with fusion alphas, particularly in burning plasmas. The goal of this project is to implement the non-linear numerical tool gama to simulate large-scale wave-particle interaction systems, capable of addressing the physics of compressible eigenmodes. The software is used to study the effects of compressiblity in the interacting AEs for ITER burning-plasma scenarios, and to understand whether shear-acoustic modes have a role in the interaction with alpha particles produced in fusion reactions. The code gama is suitably tested and its results in the linear stage of the interaction are shown to agree with the growth rates predicted by an independent linear code CASTOR-K. The stability of an ITER burning-plasma scenario is shown to be strongly susceptible to compressibility effects, as all studied compressible AEs feature comparatively lower growth rates than the AEs found in previous stability assessments (assuming incompressibility). On the other hand, shear-acoustic modes show growth rates one order of magnitude lower than the shear-Alfvén AEs, but no conclusions could be reached regarding their saturation amplitude.