Self-consistent simulation of turbulent transport in the edge region of tokamaks in diverted magnetic configuration
Author(s)
Mancini, Davide
Date Issued
April 17, 2023
Type
Doctoral Thesis
Abstract
The plasma dynamics in the region between the main plasma volume and the vessel wall has a strong influence on
the overall performance of a tokamak fusion device. This region, called tokamak boundary, is characterized by high
pressure gradients in a complex magnetic field geometry, resulting in nonlinear turbulent phenomena. In addition, the
boundary is characterized by the presence of neutral particles, due to impurities in the volume, emitted by recycling
at the wall or injected through puffing. The interaction between neutral particles and the plasma plays a key role in
determining the dynamics of the tokamak boundary, providing sources and sinks of plasma particles and energy.
Leveraging the work in Coroado and Ricci [Nucl. Fusion 62, 036015 (2022)], this thesis presents the first GBS
simulations of a diverted plasma with a self-consistent model to simulate the interplay between neutrals and plasma
in the tokamak boundary, carried out first with a single-ion species model, then with a multi-component one. The
simulation are used to reconstruct phenomena observed in high-denstiy L-mode tokamak discharges, in particular
studying density shoulder formation and transport in detached conditions.
The GBS code allows for self-consistent three-dimensional numerical simulations of the turbulent plasma and neutral
dynamics in the tokamak boundary. A set of Braginskii equations in the drift limit describes the plasma time evolution,
and the neutrals are modelled by solving a kinetic equation using the method of characteristics. Recently, a multicomponent
model of the neutral-plasma interaction was developed by extending the single ion species one, allowing the
description of a deuterium plasma that includes electrons, D+ ions, D atoms, D+2 ions and D2 molecules. The molecular
dynamics in the plasma is introduced through a set of drift-reduced Braginskii equations for the D+2 species, coupled
with the neutral particles modelling a set of processes that includes ionization, recombination, charge-exchange and
dissociation processes.
By simulating a plasma composed by a single ion and single neutral species, the effect of increased core fuelling on
the boundary density and temperature profile is investigated. The increase in core fuelling reproduces experimental
measurements of higher plasma density in the far scrape-off layer (SOL) and increased e-folding length close to the
separatrix. By an analysis of the particle balance in the SOL, the physical mechanisms underlying the increase of the
far SOL density are analyzed, concluding that it is caused by the strong decrease of parallel transport. The effect of
increased neutral density is to increase plasma cooling due to ionization events, leading ultimately to lower parallel
velocities.
The multi-component model is applied to simulations of high-density deuterium plasmas in a lower single-null magnetic
configuration based on a TCV discharge. To control the divertor conditions, a D2 puffing is used and the effect of
increased fuelling through the increase in puffing strength is investigated. The introduction of molecular interactions
leads to a strong decrease in plasma temperature and to lower particle and heat fluxes, causing the detachment of the
inner target. Most D neutrals are produced by molecular activated recombination, while plasma temperature is set by
ionization energy losses for Te > 3 eV and by dissociation and charge-exchange losses for lower Te. The analysis of
particle and transport balance in the divertor volume shows that the decrease of particle flux is caused by a decrease of local neutrals ionization and parallel velocity, both caused by the lower plasma temperature. The presence of strong
electric fields in high-density plasmas is also investigated, revealing the role of the E ×B drift in the asymmetries of the
divertor targets and on outer mid-plane turbulence. Simulation results are in agreement with experimental observations
of increased density decay length, attributed to decrease of parallel transport, together with increased turbulence size
and radial velocity.
La dinamica del plasma nella regione interposta tra il volume principale e la parete di un tokamak, influenza fortemente
la performance del reattore a fusione. Questo volume, chiamato bordo o boundary, è tipicamente caratterizato da
grandi gradienti di pressione in una geometria magnetica complicata, la cui interazione genera fenomeni non lineari e
turbolenti. In aggiunta, nel bordo vi è un’alta densità di particelle neutre, date da impurità del plasma, riciclaggio alla
parete o iniettate tramite gas puffing. Le reazioni tra neutri e plasma giocano un ruolo fondamentale nella dinamica del
bordo dei tokamak, determinando l’intensità delle sorgenti di particelle ed energia nel plasma.
Sfruttando il lavoro presentato in Coroado and Ricci [Nucl. Fusion 62, 036015 (2022)], in questa tesi vengono presentate
le prime simulazioni eseguite tramite GBS di un plasma nella configurazione divertore, al quale viene accoppiato un
modello auto-consistente di interazione con particelle neutre. Il modello descrive prima un plasma composto da una
singola specie di ione, successivamente vengono presentate simulazioni di un plasma composto da più specie. Nelle
simulazioni vengono osservati fenomeni tipicamente presenti in scariche di tokamak ad alta densità, in modo L. I
risultati vengono utilizzati per studiare la formazione della density shoulder e il detachment.
GBS è un codice che permette la simulazione numerica di un plasma tridimensionale nel bordo di un tokamak,
ricostruendone la dinamica turbolenta e l’interazione con la dinamica di particelle neutre. Un set di equazioni di
Braginskii nel limite di drift descrive l’evoluzione del plasma, mentre i neutri sono modellati risolvendo l’equazione
cinetica della loro funzione di distribuzione tramite il metodo delle caratteristiche. Recentemente è stato formulato
un modello multi-componente, estendendo il modello a singola specie, che permette la ricostruzione di un plasma di
deuterio composto da elettroni, ioni D+, atomi D, ioni D+2 e molecole D2. La dinamica molecolare è introdotta tramite
un set di equazioni di Braginskii nel limite di drift per la specie D+2 , accoppiata con le particelle neutre tramite reazioni
di ionizzazione, ricombinazione, scambio di carica e dissociazione.
Tramite simulazioni di plasma composto da elettroni, ioni D+ e atomi D, viene studiato l’effetto dell’aumento della
sorgente di particelle nel core del tokamak, sulla densità e temperature nel bordo. I risulatati delle simulazioni
riproducono qualitativamente le misure osservate sperimentalmente, come la densità aumentata nello scrape-off layer
(SOL) e l’aumento della lunghezza di decadimento del profilo di pressione alla separatrice. Analizzando il bilancio
di particelle nel SOL, i meccanismi fisici sottostanti l’aumento di densità vengono analizzati, concludendo che la sua
causa primaria è la diminuzione del trasporto parallelo dal mid-plane al target. L’effetto dell’aumento della densità dei
neutri è l’aumento della perdita di energia dovuto alla ionizzazione, portando alla diminuzione delle velocità parallele.
Il modello multi-componente viene utilizzato per simulare un plasma di deuterio ad alta densità, in configurazione
magnetica lower single-null, basata su una scarica del tokamak TCV. Le condizioni al divertore vengono controllate
tramite un puffing di D2, usato per aumentare le sorgenti di particelle nelle simulazioni. L’introduzione delle interazioni
molecolari portano ad una forte diminuzione della temperatura del plasma e minori flussi di particelle e calore, portando
in ultimo al detachment del target interno. La maggior parte dei neutri D sono prodotti da ricombinazione molecolare,
mentre la temperatura del plasma è controllata dalle perdite per ionizzazione per Te > 3 eV e da dissociazione e scambio di carica per Te minori. L’analisi del trasporto nel volume del divertore mostra che la diminuzione del flusso
di particelle è causata da una diminuzione della ionizzazione locale e della velocità parallela degli ioni, entrambe
causate dalla temperature ridotta. Viene investigata anche la presenza di campi elettrici nel plasma ad alta densità,
rivelando il ruolo del drift E ×B nella caratterizzazione delle asimmetrie tra i due target e sulla turbolenza al mid-plane.
Le simulazioni sono in accordo che le osservazioni sperimentali riguardo le misure della velocità e dimensioni delle
strutture turbolente.
Additional information
Dottorato di ricerca in Engineering for energy and environment
Subjects
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