Pedestal structure and stability in JET-ILW and comparison with JET-C

Tid: Ti 2020-06-09 kl 09.00

Plats: zoom link for online defense (English)

Ämnesområde: Fysik

Respondent: Estera Stefanikova , Fusionsplasmafysik, Fusion Plasma Physics

Opponent: Dr. Joelle Mailloux, CCFE - Culham Centre for Fusion Energy

Handledare: Associate Professor Lorenzo Frassinetti, Fusionsplasmafysik; Professor Per Brunsell, Fusionsplasmafysik

Abstract

Kontrollerad termonukleär fusion erbjuder ett lovande koncept för säker och hållbar energiproduktion. Det finns dock fortfarande många frågor som ska undersökas på väg till en kommersiell fusionsreaktor. En viktig aspekt är väggmaterialet som innesluter det varma termonukleära plasmat. JET tokamak, världens största fusionsexperiment beläget i Storbritannien, har genomgått en stor översyn 2011 där kolfiberkompositvägg (eller JET-C vägg) som innesluter fusionsbränslet ersattes med beryllium och volfram. De nya materialen är identiska med de i nästa stegs fusionsexperiment, International Thermonuclear Experimental Reactor ITER (därav namnet “ITER-liknande vägg” eller JET-ILW), som förväntas demonstrera genomförbarheten av en fusionsreaktor baserad på Tokamak-konceptet. Ett av de experimentella målen med JET-ILW är att vara ett test för ITER-teknik och för ITER-driftsscenarier.

Det övergripande målet för detta avhandlingsarbete är att beskriva hur strukturen och stabiliteten hos ett kantplasmafenomen som kallas piedestal påverkas av ILW. Piedestal är en brant tryckgradient associerad med H-mod, vilket är ett driftscenario med förbättrad inneslutning. Syftet är att bidra till förståelsen av skillnader i piedestalstrukturen mellan JET-C och JET-ILW.

Avhandlingens fokus är att beskriva piedestalstrukturen i deuteriumurladdningar genom att analysera experimentella data (radiella profiler av elektrontemperatur och densitet mätt i H-mod plasma) från Thomsonspridningsdiagnostik vid JET, och att belysa skillnader i piedestalens stabilitet mellan JET-ILW och JET-C-plasma via modellering. Piedestalstrukturen kännetecknas av en modifierad hyperbolisk anpassning till experimentella Thomsonspridningsprofiler. Modelleringen utförs med prediktionskoden Europed, baserad på EPED-modellen som allmänt används för att förutsäga piedestalhöjden i JET.

Analysen av experimentella data från JET-ILW och JET-C visar ett antal skillnader i piedestalstrukturen hos plasmaurladdningar under jämförbara förhållanden. En nyckelskillnad i piedestalens struktur som introduceras i detta arbete är piedestalens relativa skift, d.v.s. separering av piedestalens mittpunkt för elektrondensiteten och temperaturen. Det relativa skiftet kan variera avsevärt mellan pulser och i genomsnitt har JET-C-plasma ett lägre relativt skift än JET-ILW-plasma. Piedestalens relativa skift tenderar att öka med ökande gasinflöde och uppvärmningseffekt. Vidare korrelerar ökningen i det relativa skiftet empiriskt med försämring av den experimentella normaliserade tryckgradienten αexp.

För att förstå skillnaderna i JET-C och JET-ILW-piedestalstabiliteten identifierades parametrarna som påverkar piedestalstabiliteten och som tenderar att variera mellan jämförbara JET-C- och JET-ILW-plasmasurladdningar. Dessa parametrar är det relativa skiftet för piedestalen, piedestalens densitet neped, det effektiva laddningstalet Zeff, piedestalens bredd wpe och det normaliserade trycket βN. Modelleringen med den prediktiva Europed-koden visar att dessa fem parametrar är tillräckliga för att förklara piedestalens skillnader mellan JET-C och JET-ILW. Vidare visar modelleringen att det relativa skiftet och neped påverkar den kritiska normaliserade tryckgradienten αcrit (normaliserad tryckgradient som i modellen antas vara jämförbar med αexp) medan det relativa skiftet, wpe och Zeff har en stor påverkan på piedestalens höjd. Slutligen föreslås en möjlig mekanism som har lett till försämring av piedestaltrycket vid övergången från JET-C till JET-ILW.

urn.kb.se/resolve?urn=urn:nbn:se:kth:diva-273543