Rojas Molina, Juan J. (2022) Efecto de inestabilidades de desgarramiento (NTM) sobre el confinamiento de partículas alfa en reactores de fusión nuclear / Tearing instabilities (NTM) on alpha particles confinement in nuclear fusion reactors. Proyecto Integrador Ingeniería Nuclear, Universidad Nacional de Cuyo, Instituto Balseiro.
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Resumen en español
En este trabajo se estudió el efecto de inestabilidades de desgarramiento neoclásico (NTM) sobre el confinamiento de partículas alfa en reactores de fusión nuclear. En estudios previos realizados por el departamento de Fusión Nuclear y Física de Plasmas del Centro Atómico Bariloche [1] se observó que cuando la frecuencia del NTM coincide con la frecuencia de precesión de las partículas atrapadas, se produce un incremento significativo de las pérdidas. Motivados por estas observaciones, en este proyecto se planteo como objetivo el análisis de este fenómeno para las condiciones de operación, geometría y dimensiones del futuro reactor ITER (International Thermonuclear Experimental Reactor). Esto se hizo mediante simulaciones numéricas empleando el código de orbita completa FOCUS [2] que resuelve las trayectorias de las partículas alfa con los campos de equilibrio más las perturbaciones producidas por la inestabilidad. Antes de realizar las simulaciones se efectúo un análisis preliminar para determinar la distribución inicial de las partículas alfa. A partir de este se implementó un generador de partículas que crea una población de alfas con una distribución espacial dada por la tasa de reacciones de fusión y en velocidad dada por la distribución de frenamiento. Los campos de equilibrio así como los perfiles de densidad de iones y temperatura se obtuvieron del trabajo de Montes [3] y la perturbación se calculó e incluyó en la simulación a partir de una corriente perturbada con una metodología como la descrita por Igochine [4]. Se llevaron a cabo simulaciones preliminares sin perturbación para caracterizar las frecuencias de precesión y rebote de las partículas para el escenario de operación contemplado que fue el escenario estándar de ITER. Posteriormente se incluyó la perturbación y se realizaron análisis paramétricos respecto del tamaño de isla y la frecuencia del NTM. Inicialmente no se observó ningún efecto de la frecuencia del NTM sobre la distribución de frecuencias de las partículas perdidas. Esto se atribuyó a que las islas magnéticas del modo estudiado (2/1) se encontraban muy lejos de la región con alta concentración de partículas. Entonces, se realizaron simulaciones con un perfil de densidad de alfas achatado intentando modelar el efecto que tendría una inestabilidad de tipo diente de sierra [5] las cuales suelen preceder a las NTM. Las simulaciones realizadas con los perfiles modificados mostraron un incremento en las perdidas respecto de los casos anteriores y del caso con isla estática pero hace falta mayor análisis para obtener conclusiones definitivas. Finalmente se plantearon los pasos a seguir para continuar con el análisis de este fenómeno en un estudio posterior.
Resumen en inglés
In this work, the effect of neoclassical tearing instabilities (NTM) on alpha particle confinement in nuclear fusion reactors was studied. In previous studies carried out by the department of Nuclear Fusion and Plasma Physics, at Bariloche Atomic Center [1], it was observed that when the NTM frequency matches the precession frequency of the trapped particles, there is a significant increase in trapped particle losses. Motivated by these observations, this project aimed to analyze this phenomenon for the operating conditions, geometry and dimensions of the future ITER (International Thermonuclear Experimental Reactor) reactor. This was done by numerical simulations using the full-orbit code FOCUS [2] that solves the alpha particle trajectories with the equilibrium fields plus instability perturbations. Before carrying out the simulations, a preliminary analysis was carried out to determine the initial distribution of the alpha particles. From this, a particle generator was implemented that creates a population of alphas with a spatial distribution given by the rate of fusion reactions and a stopping velocity distribution. The equilibrium fields as well as the ion density and temperature profiles were obtained from the work of Montes [3] and the perturbations were calculated and included in the simulation from a perturbed current with the methodology described by Igochine [4]. Preliminary undisturbed simulations were carried out to characterize the precession and rebound frequencies of the particles for the standard ITER scenario. Subsequently, the disturbance was included and parametric analyzis were carried out varying the size of the island and the frequency of the NTM. Initially, no effect of the NTM frequency on the frequency distribution of the lost trapped particles was observed. This was attributed to the fact that the magnetic islands of the considered mode (2/1) were very far from the region with high concentration of particles. Then, simulations were carried out with a uniform alpha density profile to model the effect of preceeding sawtooth instability [5]. The simulations carried out with the modified profiles showed an increase in losses with respect to the previous cases and the case with a static island, but further analysis is needed to obtain definitive conclusions. Finally, the steps to follow to continue with the analysis of this phenomenon in a later study were proposed.
| Tipo de objeto: | Tesis (Proyecto Integrador Ingeniería Nuclear) |
|---|---|
| Palabras Clave: | Plasma; Tearing instability; Inestabilidad por desgarro; Instability; Inestabilidad; Alpha particles; Partículas alfa; [Nuclear fusion; Fusión Nuclear; Tokamak; Tearing ; Desgarramiento; Plasma physics; Física del plasma] |
| Referencias: | [1] Ferrari, H. E., Farengo, R., García Martínez, P. 28th IAEA Fusion Energy Conference “Trapped particle resonance effects on the NTM driven losses of energetic particles” Virtual. 10-15 May 2021. TH/P1-6, PP12.00024, 2021. ix, xi, 15, 51 [2] Clauser, C. F. Dinámica de partículas alfa en plasmas magnetizados y el efecto de las colisiones en la interacción partícula plasma. Tesis de Doctorado en Física, Universidad de Cuyo Instituto Balseiro, 2018. ix, xi, 8, 17, 20 [3] Montes, P. E. Cálculo de equilibrios toroidales en plasmas de fusión nuclear,Tesis de Maestría, Universidad de Cuyo, Instituto Balseiro., 2017. ix, xi, 19 [4] Igochine, V., Gnter, S., Maraschek, M. Investigation of complex mhd activity by a combined use of various diagnostics,. Nucl. Fusion 43 (2003) 1801–1812, 2003. ix, xi, 25, 26 [5] Farengo, R., Ferrari, H., García Martínez, L., Firpo, M., Ettoumi, W. e. a. Redistribution of high energy particles due to sawteeth with partial reconnection,. Nucl. Fusion 53043012 (2013)., 2013. ix, xi, 44, 51 [6] Stacey, W. M. Fusión Plasma Physics. John Wiley Sons, 2008. 3, 11 [7] Wikimedia Commons. File:schematic-of-a-tokamak-chamber-and-magneticpro le.jpg — wikimedia commons, the free media repository, [Online; accessed 20-May-2022], 2021. URL https://commons.wikimedia.org/w/index.php?title=File:Schematic-of-a-tokamak-chamber-and-magnetic-profile.jpg&oldid=530391178. 6 [8] Sitio web oficial del proyecto ITER [Online; accessed 20-May-2022], 2022. URL https://www.iter.org/mach/tokamak. 7 [9] Shimada, M., Campbell, D., Mukhovatov, V., Fujiwara, M., Kirneva, N., Lackner, K., et al. Chapter 1: Overview and summary. Nuclear Fusion, 47 (6), S1,, 2007. URL http://stacks.iop.org/0029-5515/47/i=6/a=S01. 7 [10] Wilson, H. R. Neoclassical tearing modes, Deparment of Physics, University of York, Heslington, Plasma Physics and Controlled Fusion · December 2000, DOI: 10.1088/0741-3335/42/12B/306, 2018. 14 [11] García Muñoz, M., Fahrbach, H. U., Pinches, S., Bobkov, V., Gobbin, M. e. a. Mhd induced fast-ion losses on asdex upgrade. Nuclear Fusion, 47 (7),L10, 2009. 15 [12] Gobbin, M., White, R., Marelli, L., Martin, P. Resonance between passing fastions and mhd instabilities both in the tokamak and the rfp configurations. Nuclear Fusion, 48 (7), 075002, 2008. 16 [13] Strumberger, E., Gnter, S., Schwarz, E., Tichmann, C. Fast particle losses due tontms and magnetic field ripple. New Journal of Physics, 10 (2), 023017, 2008. 16 [14] Clauser, C. F., Farengo, R., Ferrari, H. FOCUS: A full orbit CUDA solver for particle simulations in magnetized plasmas. ELSEVIER, Computer Physics Communications, 2018. 17, 51 [15] Jardin, S. Computational Methods in Plasma Physics, 2010. 26 [16] Nave, M., Wesson, J. Mode locking in tokamaks. Nuclear Fusion, 30(12):2575, 1990. 28, 48 [17] La Haye, R., Ferron, J., Humphreys, T. e. a. Requirements for alignment of electron cyclotron current drive for neoclassical tearing mode stabilization in iter. Nuclear Fusion, 46(4):451, 2008. 28 [18] Sauter, O., Henderson, M., Ramponi, H., Zohm, H., Zucca, C. On the requirements to control neoclassical tearing modes in burning plasmas. Plasma Physics and Controlled Fusion, 52(2):025002, 2010., 2010. 28, 29 [19] Van den Brand, H. ECE for NTM control on ITER, Tesis de Maestr´ıa, Eindhoven university of technology, 2012. 29, 30, 43 [20] Romero, M. Estudio de fen´omenos de transporte inducidos por actividad MHD en reactores de fusi´on, Tesis de grado de la carrera de Física, Universidad de Cuyo, Instituto Balseiro, 2021. 30 [21] García Martínez, P., Farengo, R., Ferrari, H., Montes, P., Clauser, C. e. a. 27th IAEA Fusion Energy Conference (FEC 2018), Ahmedabab, India, 22-27 octubre 2018. “Reconstruction of MHD modes for energetic particle dynamics studies in toroidal equilibria with arbitrary q profile, 2018. 48 |
| Materias: | Ingeniería nuclear > Fusión nuclear |
| Divisiones: | Gcia. de área de Investigación y aplicaciones no nucleares > Gcia. de Física > Interacción de la radiación con la materia > Física nuclear y física de plasmas |
| Código ID: | 1077 |
| Depositado Por: | Tamara Cárcamo |
| Depositado En: | 11 Jul 2022 15:07 |
| Última Modificación: | 15 Jul 2022 13:15 |
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