Neutral beam fast particle physics in fusion plasma integrated scenarios

Matteo Vallar

Key information

Authors:

Matteo Vallar (Matteo Vallar)

Supervisors:

Tommaso Bolzonella; Artur Jorge Louzeiro Malaquias (Artur Jorge Louzeiro Malaquias)

Published in

03/12/2019

Abstract

O aquecimento por injeção de feixes de neutros é um dos métodos mais fiáveis para aquecer um plasma até às temperaturas necessárias para atingir fusão termonuclear estacionária. Este tipo de sistema injeta neutros com energias muito superiores à energia dos iões que constituem o grosso do plasma, introduzindo uma população de partículas energéticas que, colidindo com os iões e electrões do plasma, transmite a energia ao plasma. Adicionalmente, esta população de partículas energéticas também induz corrente no plasma, contribuindo para a manutenção da descarga. O tema central desta tese incide na modelização numérica do comportamento de partículas rápidas num plasma de Tokamak. Códigos analíticos e de numéricos de Monte Carlo foram aplicados a diferentes máquinas (RFX-mod, JT-60 SA and TCV) com vista a estudar o impacto destas partículas em cenários de operação indutivos (cenário standard) e não indutivos (avançado). A máquina RFX-mod está a ser melhorada e a instalação de injectores de feixes neutros (com parâmetros e geometria fixos) é uma das possíveis melhorias. Deste modo, o impacto das partículas energéticas nos plasmas do RFX-mod é discutida neste trabalho usando o código analítico METIS. O impacto de partículas energéticas no tokamak superconductor JT-60SA é estudado com o código de Monte Carlo ASCOT. Neste Tokamak, o aquecimento do plasma e a geração de corrente, seja em cenário de operação standard ou avançado, é garantido em grande parte por um conjunto de feixes de injeção de neutros. Neste trabalho, a dinâmica das partículas rápidas nos cenários standard e avançado do JT-60SA é analisada, evidenciando a fiabilidade do sistema de injeção de neutros no Tokamak. Um injector de feixes neutros foi instalado no Tokamak TCV há três anos. Este feixe é importante dado que deposita potência predominantemente nos iões e permite alargar o regime de operação do tokamak. Nesta tese, após uma revisão da condição atual do feixe de neutros e da operação com ele realizada nos últimos três anos, é feito um estudo sobre o impacto do aquecimento por injeção de ondas electro-ciclotrónicas em partículas energéticas em cenários de operação avançados. Neutral beam injection heating is one of the most reliable ways to heat a plasma up to the temperatures needed to achieve steady-state thermonuclear fusion. This system injects neutral particles with energy much higher than the bulk ion energy, introducing a population of energetic particles which collide with the plasma ions and electrons. In this way energy and momentum are transferred to the plasma giving as final result an increase of the target plasma temperature and, depending on the beam characteristics, possible modifications of its flow and current profile. Numerical modelling of the behaviour of fast particles in tokamak plasma is the subject of this thesis. Analytical and Monte Carlo models have been applied to different devices (RFX-mod, JT-60 SA and TCV) in order to study the impact of these particles in both inductive (standard) and non-inductive (advanced) scenarios. Comparison between the different codes have been made in order to assess if the different models apply correctly to the cases studied. RFX-mod device is under modification and the installation of a neutral beam injector (with fixed parameters and geometry) is in the upgrade hypothesis. The impact of energetic particles in RFX-mod tokamak plasmas is discussed in this work using METIS fast tokamak simulator and compared with NUBEAM Monte Carlo code. The impact of energetic particles in JT-60 SA superconducting tokamak is studied with ASCOT Monte Carlo orbit solver. This device relies on a wide and flexible set of beams for plasma heating and current drive, both for standard and advanced scenarios. The behaviour of the fast particles in JT-60 SA standard and advanced tokamak plasmas is analysed, showing the reliability of the neutral beam system in this device. Neutral beam injection heating in TCV is the last topic studied in this thesis. The impact of electron cyclotron wave injection heating on energetic particles behaviour has been studied in advanced tokamak scenarios, where the expected performances are not achieved using the combination of the two heating systems. Comparison between ASCOT and NUBEAM code is performed in order to check which of the two codes is most suitable for TCV and the two codes are applied for a reference case.