Deeltjes- en vermogensafvoer in de EAST kernfusie-tokamak en computationele analyse met behulp van gekoppelde fluïdum-kinetische plasmasimulaties

Dit doctoraat heeft tot doel bij te dragen tot een oplossing voor de te hoge stroom van deeltjes en warmte naar de divertor platen tijdens tokamak experimenten. De combinatie van het gebruik van een configuratie met twee magnetische nulpunten en neon injectie lijkt veelbelovend in koolstof experimenten. Daarom ligt de nadruk op het potentieel in een metalen reactor.

Dit werk is uitgevoerd als deel van de EU-CN samenwerking van EUROfusion en experimenten zijn uitgevoerd in de EAST tokamak, gelegen in Hefei (China) aan het ASIPP. Deze tokamak heeft een bovenste wolfraam en een onderste koolstof divertor. Bovendien kan hij stabiele ontladingen met neon injectie verwerken en tegelijk het plasma lang vasthouden. Wegens de staat van de onderste divertor, was een gekoppelde dubbele nulconfiguratie niet mogelijk. Daarom werden experimenten, met en zonder neon, in een enkele nul en losgekoppelde dubbele nul configuratie met hoofdbovendivertor uitgevoerd in 2019.

De invloed van de ontkoppelde dubbele configuratie op de deeltjes- en warmtefluxen die de divertor doelen bereiken was verwaarloosbaar vanwege een te grote scheiding tussen de separatrices. De neon injectie, daarentegen, toont een significante invloed op de plasmaprofielen. Een analyse van de experimentele gegevens laat duidelijk zien dat neon de ontlading in een hoog recycling regime bracht. Energetische detachment werd duidelijk ook bereikt maar, gebaseerd op de experimentele data, kan er geen harde uitspraak over volledig detachment gedaan worden. SOLPS-ITER simulaties worden gebruikt voor een verdere analyse van de twee ontladingen in enkele nulconfiguratie. Deze numerieke code lost de Braginskii-vergelijkingen op en is een koppeling tussen de eindige volumes B2.5 plasma code en de Monte Carlo EIRENE code voor de neutralen.

Dit werk bevat ook een foutenanalyse op de SOLPS-ITER simulaties. Zoals verwacht, wordt de belangrijkste bijdrage veroorzaakt door de discretisatie van het B2.5-grid. Het gebruikte EIRNE-grid daarentegen, heeft geen grote invloed op de numerieke fout. Naast de B2.5 discretisatiefout, moet men ook de bias in het achterhoofd houden bij de interpretatie van de simulatieresultaten voor de plasmaparameters. Het gebruik van een Monte Carlo behandeling van de neutralen, introduceert ook een statistische fout. Door een juiste keuze van de EIRENE-invoerparameters en gebruikmakend van de eerder ontwikkelde SOLPS-ITER middelingsprocedure, kan deze fout klein worden gehouden.

De numerieke fout op de neutrale parameters, wordt bepaald door de gekoppelde simulatie, en door de laatste twee pure EIRENE stappen. Deze laatste stappen worden uitgevoerd met veel meer Monte Carlo-deeltjes om de statistische fout te verkleinen. Door een juiste keuze van de invoervariabelen kunnen ook de fouten op de neutrale parameters klein worden gehouden.

Door de oorspronkelijke vergelijkingen van de SOLPS-ITER code op te lossen, wordt een redelijke overeenkomst met de experimenten in het buitenste middenvlak, maar slechte overeenkomst in de divertor gevonden. Daarom zijn gevoeligheidsstudies naar enkele, niet precies gekende, invoerparameters uitgevoerd. Deze studies tonen niet de vereiste veranderingen in de plasmaprofielen. Dit lijkt alleen mogelijk door het oplossen van de extra stroom continuïteitsvergelijking die het mogelijk maakt drift effecten te simuleren.

De volgende vereisten voor een goede drift simulatie zijn naar boven gekomen:
• Vermijd te fijne gridcellen aan de divertor platen. Gebruik als vuistregel een minimale radiale en poloïdale celbreedte van 1 mm.
• Begin van geconvergeerde simulaties zonder drift effecten.
• Gebruik een veel kleinere anomale conductiviteit dan de neoklassieke, maar niet te klein om een langzame convergentie te vermijden. Voor EAST simulaties is cσα,0 = 5.0 10−5 een geschikte keuze. • Gebruik de technieken van Kaveeva et al. [57] waarbij de afgeleide tijdstapgrootte voor de verschillende regio’s in het probleem wijzigt. Dit maakt het mogelijk om een tijdstap van 1.0 · 10−5 s te gebruiken.
• Verhoog de neutrale brontermen om de convergentiesnelheid te verbeteren.
Afhankelijk van de simulatie met of zonder neon injectie moeten nog verdere vereisten worden gesteld aan de invoerparameters.

Door drifteffecten mee te nemen, is een redelijke overeenkomst tussen experimenten en simulaties mogelijk voor alle plasmaprofielen. Een analyse van deze simulatieresultaten laat zien dat detachment wordt bereikt door het toegevoegde neon. De extra deuterium injectie in neon experimenten verklaart de verhoogde ionenverzadigingsstroom naar de buitenste divertorplaat. Dit betekent dat neon EAST onladingen in detachment kan brengen.