Gallo Claussi, Agustín (2023) Desarrollo de un código de centro de giro para estudio de transporte en reactores de fusión nuclear / Development of a guiding center code for transport studies in nuclear fusion reactors. Proyecto Integrador Ingeniería Nuclear, Universidad Nacional de Cuyo, Instituto Balseiro.
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Resumen en español
Los códigos de partículas utilizados en el área de física de plasmas simulan el movimiento que realiza una partícula cargada en un campo electromagnético determinado. Se dividen en dos grandes categorías, los códigos de ´orbita completa (OC) y los de centro de giro (CG). Los primeros resuelven la trayectoria real que describe una partícula mientras que los segundos calculan exclusivamente el movimiento de su centro de giro. Más allá de la pérdida de precisión con relación a la posición de la partícula, la ventaja de los códigos CG se establece en el hecho de que son menos demandantes computacionalmente. En este trabajo se desarrolló un código CG con un operador de colisiones elásticas que tiene la capacidad de ser ejecutado en procesadores gráficos. Con este objetivo, se utilizó una versión sin colisiones previamente elaborada por Aguirre [8] sobre la cual se¿ implementó un operador de colisiones elásticas de acuerdo al cálculo teórico de Chen [9], posibilitando las colisiones entre las partículas simuladas y un plasma de fondo compuesto por distintas especies. El código CG fue sometido a distintas etapas de validación, en las cuales se recurrió a un código OC realizado por Clauser y denominado FOCUS [6] a modo de comparación. Todos los resultados obtenidos verificaron el correcto funcionamiento del código CG y su operador de colisiones elásticas. Por lo tanto, el mismo se empleó para estudiar la variación en el tiempo de la energía y el pitch de un conjunto de partículas determinado con condiciones iniciales arbitrarias. Además, se aseguró la compatibilidad entre ambos códigos, en vista de poder combinarlos en una versión CG-OC en el futuro. Finalmente, se analizó la distribución de frenamiento de una población de partículas α nacidas de fusión en un plasma con los parámetros de ITER [10]. La evolución temporal observada coincidió con los resultados de FOCUS y se demostró la ventaja del código CG con respecto a los tiempos de cómputo.
Resumen en inglés
Particle codes utilized in the field of plasma physics simulate the motion of a charged particle within a specific electromagnetic field. They are divided into two main categories, full orbit codes (OC) and guiding center codes (CG). OC codes solve the actual trajectory described by a particle, while CG codes only calculate the motion of its guiding center. Beyond the loss of precision concerning the particle’s position, the advantage of CG codes is established in the fact that they are less computationally demanding. In this work, a CG code with and elastic collision operator was developed with the capacity of being executed on graphics processing units. To achieve this objective, a previous version without colissions implemented by Aguirre [8] was utilized, upon which an elastic collision operator based on the theoretical derivation by Chen [9] was incorporated, enabling collisions between the simulated particles and a background plasma consisting of different species. The CG code underwent a series of validation stages and a comparative analysis was conducted with an OC code named FOCUS, developed by Clauser [6]. All the obtained results confirmed the proper functioning of the CG code and its elastic collision operator. Therefore, it was employed to study the temporal variation of the energy and pitch of a specific particle ensemble with arbitrary initial conditions. Moreover, compatibility between both codes was guaranteed, with the purpose of combining them into a CG-OC version in the future. Finally, the slowing down distribution function for fusion-born α particles was analyzed in an ITER-like plasma [10]. The observed time evolution matched the results from FOCUS and the advantage of the CG code in terms of computing times was demonstrated.
| Tipo de objeto: | Tesis (Proyecto Integrador Ingeniería Nuclear) |
|---|---|
| Palabras Clave: | [Plasma physics; Física de plasma; Particle codes; Códigos de partículas; Guiding center; Centro de giro; Computational simulations; Simulaciones computacionales] |
| Referencias: | [1] Wikipedia, la enciclopedia libre. Energía de enlace nuclear. URL https://es.wikipedia.org/wiki/energia_de_enlace_nuclear, accedido el 04/05/2023. vii,2 [2] Wesson, J. Tokamaks. Clarendon Press - Oxford, 2004. vii, 3 [3] Wikipedia, la enciclopedia libre. Tokamak. URL https://en.wikipedia.org/wiki/Tokamak, accedido el 13/05/2023. vii, 6 [4] Bruhn, C. Characterization of the turbulence driven boron transport in the core of fusion plasmas in the ASDEX Upgrade tokamak. Department of Physics -Technische Universitat Munchen, 2018. vii, 7 [5] Sears, W., Zemansky, M. W. Física universitaria con física moderna. Volumen 2. Pearson Educación, 2009. vii, 12 [6] Clauser, C. F. Dinámica de partículas alfa en plasmas magnetizados y el efecto de las colisiones en la interacción partícula-plasma. Tesis Carrera de Doctorado en Física - Instituto Balseiro, 2018. vii, vii, xiii, xv, 10, 14, 15, 17, 28, 29, 45, 51, 54 [7] Schuster, E. Nuclear fusion and radiation. Lecture 7. Lehigh University, 2022. URL https://www.lehigh.edu/~eus204/teaching/ME362/lectures/lecture07.pdf, accedido el 25/05/2023. vii, 20 [8] Aguirre, M. A. Estudio de pérdida de iones energéticos en tokamaks debido a inestabilidades magnetohidrodinámicas con un código de centro de giro. Tesis de Licenciatura en Ciencias Físicas - Universidad de Buenos Aires, 2021. xiii, xv,10, 33, 51 [9] Chen, T. S. A general form of the Coulumb scattering operators for Monte Carlo simulations and a note on the guiding center equations in different magnetic coordinate conventions. Institute of Plasma Physics. Chinese Academy of Sciences, 1988. xiii, xv, 25, 51, 53 [10] ITER Organization. URL https://www.iter.org/, accedido el 13/05/2023. xiii, xv, 9, 51 [11] Clauser, C. F., Farengo, R., Ferrari, H. E. FOCUS: A full-orbit CUDA solver for particle simulations in magnetized plasmas. Elsevier, 2018. 10 [12] Pfefferle, D., Graves, J. P., Cooper, W. A. Hybrid guiding-centre/full-orbit simulations in non-axisymmetric magnetic geometry exploiting general criterion for guiding-centre accuracy. Plasma Physics and Controlled Fusion. Vol 57. Number 5, 2015. URL https://dx.doi.org/10.1088/0741-3335/57/5/054017. 10 [13] Juda, J. D., et al. NRL Plasma Formulary. Plasma Physics Division - Naval Research Laboratory, 2019. URL https://library.psfc.mit.edu/catalog/online_pubs/NRL_FORMULARY_19.pdf, accedido el 26/06/2023. 16 [14] Berland, J., Bogey, C., Bailly, C. Low-dissipation and low-dispersion fourth-order Runge-Kutta algorithm. Elsevier, 2005. 21 [15] Cohen, B. I., et al. Time-step considerations in particle simulation algorithms for Coulumb collisions in plasmas. Plasma Science. Volume 38, 2010. 22 [16] Helander, P., Sigmar, D. J. Collisional transport in magnetized plasmas. Cambridge Monographs on Plasma Physics, 2002. 22 [17] Velasco, J. L., et al. ISDEP: Integrator of stochastic differential equations for plasmas. Elsevier, 2012. 24, 49, 53 [18] Boozer, A. H., Kuo-Petravic, G. Monte Carlo evaluation of transport coefficients. Plasma Physics Laboratory. Princeton University, 1981. 25 [19] Max Planck Institute for Plasma Physics. ASDEX Upgrade. URL https://www.ipp.mpg.de/16195/asdex, accedido el 27/04/2023. 31 [20] Mc Carthy, P. J. Analytical solutions to the Grad-Shafranov equation for tokamak equilibrium with dissimilar source functions. Physics of Plasmas, 6, 1999. URL https://doi.org/10.1063/1.873630, accedido el 11/04/2023. 31, 51, 54 [21] Montes, P. E. Cálculo de equilibrios toroidales en plasmas de fusión nuclear. Tesis de la Carrera de Maestría en Física - Instituto Balseiro, 2017. 42, 51, 54 [22] Hirvijoki, E., et al. ASCOT: Solving the kinetic equation of minority particle species in tokamak plasmas. Elsevier, 2014. 53 |
| Materias: | Física > Física de plasma Ingeniería nuclear > Fusión nuclear |
| Divisiones: | Investigación y aplicaciones no nucleares > Física > Fusión nuclear y física de plasmas |
| Código ID: | 1204 |
| Depositado Por: | Tamara Cárcamo |
| Depositado En: | 17 Aug 2023 12:22 |
| Última Modificación: | 17 Aug 2023 12:22 |
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