Adjoint-gebaseerde divertor vormoptimalizatie voor de ITER reactor gebruikmakend van plasmarandsimulaties met realistische reactorgeometry

Om resultaten van kernfusie experimenten beter te kunnen interpreteren en om de tweede generatie divertor voor ITER te kunnen ontwikkelen, zijn numerieke simulaties onmisbaar geworden. Het numerieke domein van typische plasmarandsimulaties worden begrensd door het uiterste magnetische flux oppervlak. Echter, is er numeriek vormoptimalizatie algortime nodig om een optimaal ontwerp voor de warmteafvoerinrichting of divertor te vinden, dewelke de warmtebelasting zoveel mogelijk uitspreid. Om een fysisch relevant optimaal ontwerp te bekomen, is het nodig om het numerieke domain van de plasmarandsimulaties uit te breiden tot aan de reactorwand. Daarom omvat de eerste taak de ontwikkeling van een robuste grid generator voor grids tot aan de reactorwand.

De zogenaamde 'brede' grids moeten voldoen aan verschillende eisen. Ten eerste, moeten de grid cellen gealigneerd zijn met het magnetisch veld om numeriek geïnduceerd transport te vermijden. Ten tweede is het sterk aangeraden om lokale verfijning te voorzien richting de reactorwand aangezien hier sterke gradiënten in oplossingsvariabele worden verwacht. Deze twee eisen conflicteren reeds met elkaar aangezien de reactorwand in de meeste gevallen niet parallel of loodrecht op het magnetisch veld ligt. Hierdoor zullen er afwegingen gemaakt moeten worden.Daarenboven moeten de brede grids kunnen omgaan met automatisch grid aanpassingen aangezien de vormoptimalizatie zal zorgen voor de verandering van de vorm van de reactorwand tijdens het iteratie proces.

Een volgende uitdaging omvat de nodige aanpassingen aan het plasma model. Typisch wordt er een vloeistof model gebaseerd op de Braginskii vergelijkingen gebruikt om het plasma in de reactor te modelleren. Deze aanpak gaat uit van een hoge plasma densiteit of dus een groot aantal botsingen tussen de verschillende plasmadeeltjes per volume. Echter in de regios dichter bij de reactorwand en verder verwijderd van het kernplasma en de warmteafvoerinrichting, is het plasma minder dens en gedraagt zich meer kinetisch. Daarom is een aanpassing in het plasmamodel nodig om het verwachte kinetische gedrag op een correct manier te kunnen incorporeren. Een tweede modelaanpassin is de toevoeging van plasmadrifts, dewelke de plasmaverdeling in de plasmarand sterk kunnen beïnvloeden. Plasmadrift zijn transportfenomenen veroorzaakt door de interactie tussen het magnetisch veld en bijvoorbeeld het elektrisch veld, de druk, etc. Deze transportfenomenen zijn zuiver convectief en zijn daardoor zeer onstabiel. Met deze reden is het nodig om stabilisatie schemas te implementeren om de plasmadrifts te kunnen toevoegen in de plasmarandsimulaties.

Tot slot zal het optimalisatiealgoritme ontwikkeld worden. Om de grote computationele kost van eindige verschillende optimalisatie te verwijden, zal een adjoint gebaseerde aanpak aangewend worden, dewelke niet duurder worden bij toenemend aantal ontwerpvariabele. De implementatie van de van de adjointaanpak houdt de differentatie van het gebruikte model in. Aangezien een manuele implementatie zeer omslachtig zou zijn in een state of the art plasmarandcode, zal algoritmisch differentatie gebruikt worden. Hierna is elke bouwblok aanwezig om een optimaal design voor de ITER divertor te bekomen.