Modeling RF waves in hot plasmas using the finite element method and wavelet decomposition

Theory and applications for ion cyclotron resonance heating in toroidal plasmas

Tid: Fr 2020-01-17 kl 14.00

Plats: F3, Lindstedtsvägen 26, Stockholm (English)

Ämnesområde: Elektro- och systemteknik

Respondent: Pablo Vallejos , Fusionsplasmafysik

Opponent: Philippe Lamalle, ITER Organization

Handledare: Thomas Jonsson, Fusionsplasmafysik, Alfvénlaboratoriet; Torbjörn Hellsten, Fusionsplasmafysik

Abstract

Fusionsenergi har potentialen att erbjuda en hållbar lösning för storskalig energiproduktion för mänskligheten. Fördelarna med fusionsenergi inkluderar inga utsläpp av växthusgaser, inget långlivat radioaktivt avfall, pålitlig energiproduktion, hög säkerhet och stora bränslereserver på jorden.

Tokamaken är en fusionsreaktor med ringformad geometri, där det heta bränslet (eller plasmat) innesluts med starka magnetfält för att det inte ska få kontakt med t.ex. väggar och antenn. För att uppnå fusionsrelevanta temperaturer (ca. 100 miljoner grader) har tokamaker flera uppvärmningssystem. Joncyklotronresonansuppvärmning (ICRH) är ett system där plasmat värms upp med hjälp av radiovågor. ICRH kommer att ha en viktig roll på ITER, vilket är nästa generations tokamakexperiment som beräknas vara operativ mot slutet av 2020-talet.

Denna avhandling handlar om modellering och beräkningar av radiovågor i tokamakplasman för ICRH. Beräkningar av radiovågor görs genom att lösa Maxwells ekvationer. Att lösa Maxwells ekvationer är svårt p.g.a. fenomenet rumslig dispersion som finns i heta plasman. Denna effekt resulterar i integraloperatorer som är svåra att hantera med numeriska verktyg. Målet med detta arbete är att utveckla numeriska verktyg som kan hantera rumslig dispersion i Maxwells ekvationer och kunna hantera den geometriska komplexitet som finns utanför plasmat, t.ex. antennen och regionerna med låg plasmatäthet (SOL). Huvudresultaten av detta arbete är utvecklingen av den tvådimensionella FEMIC-koden och den så kallade "iterativa wavelet finita element" algoritmen.

En av FEMIC-kodens viktigaste egenskaper är att den kan beskriva vågfysiken både i det heta inre plasmat och det omgivande SOL-området, där godtycklig geometrisk komplexitet är tillåten för att beskriva SOL, väggar och antenn. Dessutom tillämpar FEMIC en dielektricitetsmodell i SOL-området och i området mellan plasmat och SOL (som kallas för pedestalen). Koden kan beskriva vinkelrät rumslig dispersion (FLR-effekter) för den snabba vågen enbart, vilket är tillräckligt för att beskriva viktiga mekanismer som t.ex. harmonisk dämpning och magnetisk pumpning. FEMIC har används för att studera effekten av poloidal fasning i tokamakerna JET och ITER, samt validerats emot andra ICRH-koder framgångsrikt.

Den iterativa wavelet finita element algoritmen utvecklades för att behandla rumsligt dispersiva effekter på ett rigoröst sätt. I denna algoritm adderas rumsligt dispersiva effekter till vågekvationen med hjälp av iterationer. För att evaluera rumslig dispersion har en ny metod baserad på Morlet wavelets tillämpats. Algoritmen har testats framgångsrikt för vinkelrät och parallell dispersion i endimensionella modeller. Koden FEMIC1D utvecklades för att studera algoritmens egenskaper och för att simulera ICRH, inklusive FLR-effekter. Koden har tillämpats på ett fall för att studera harmonisk dämpning och modkonvertering till så kallade jon-Bernsteinvågor. I denna studie verifierades att algoritmen kan ta hänsyn till FLR-effekter genom att studera jon-Bernsteinvågens egenskaper.

urn.kb.se/resolve?urn=urn:nbn:se:kth:diva-265016

Tillhör: Skolan för elektroteknik och datavetenskap (EECS)
Senast ändrad: 2019-12-19