Simulations of turbulence-flow interplay in tokamak plasmas - Gyrokinetic studies of isotope effect on turbulent transport and flows in Ohmic discharges

Tutkimustuotos

Tutkijat

Organisaatiot

Kuvaus

Hiukkas- ja lämpöhäviöt heikentävät tokamak-fuusioreaktoreiden suorituskykyä. Fuusioreaktiot vaativat äärimmäisen korkean lämpötilan, joka ionisoi polttoaineen ja muuttaa sen plasmaksi. Tokamakissa plasma pidetään koossa voimakkailla magneettikentillä. Fuusioreaktoreiden suunnittelemiseksi koossapidon tehokkuus pitää pystyä ennustamaan tiedetyille parametreille. Suunnittelussa hyödynnetään kokeellisten tietokantojen pohjalta johdettuja monien muuttujien potenssilakeja, mutta ne eivät kerro koossapitoon vaikuttavista fysikaalisista prosesseista.  Nykykäsityksen mukaan hiukkas- ja lämpöhäviöt määräytyvät plasmaturbulenssin ja -virtausten monimutkaisen vuorovaikutuksen seurauksena, mutta koossapito-ominaisuuksien nopeisiin muutoksiin ja isotooppiriippuvuuteen liittyy vielä epävarmuutta. Näiden ongelmien kokeellista tutkimusta tuetaan kehittyneillä tietokonemalleilla. Tässä väitöskirjassa hyödynnetään gyrokineettisiä ELMFIRE- ja GENE-koodeja, joilla tutkitaan turbulenssin ja virtausten vuorovaikutusta sekä erityisesti polttoainehiukkasten massan vaikutusta näihin ominaisuuksiin.  Väitöskirjan ensimmäisessä osassa verrataan ELMFIRE:n ja teoreettisten kaavojen ennusteita plasman perusominaisuuksille. Simulaatioennusteet plasman keskimääräiselle virtaukselle ja sähkönjohtavuudelle antavat oikeanlaisen törmäysriippuvuuden ja täsmäävät hyvin teorian kanssa. ELMFIRE:n ennusteet värähtelevien virtauksien taajuuksille ovat myös muutaman prosentin sisällä teoreettisista arvoista.  Väitöskirjan toisessa osassa tutkitaan polttoaineisotoopin vaikutusta turbulenttiin kuljetukseen ja virtauksiin sähkövirralla kuumennetuissa plasmoissa. Simulaatiot ennustavat hiukkashäviöiden pienenevän, kun polttoaine vaihdetaan tavallisesta vedystä raskaampaan deuteriumiin muiden parametrien pysyessä vakiona. Kokeelliset mittaukset vahvistavat ennusteen laadullisesti. Simulaatioissa deuteriumin pienempi hiukkasvuo johtuu vähemmän intensiivisistä pienen kokoluokan turbulenteista värähtelyistä. Lineaaristen simulaatioiden perusteella turbulenssi syntyy loukkuunteneiden elektronien ja tiheyserojen yhteisvaikutuksesta. Kokeet ja simulaatiot näyttävät selkeitä merkkejä värähtelevistä vyöhykevirtauksista. Mittaukset ja laskennalliset ennusteet virtauksien taajuuden, aallonpituuden, ja värähtelyvälin isotooppiriippuvuudelle täsmäävät. Virtausten ja turbulenssin vuorovaikutus näkyy puolestaan hiukkasvuon värähtelyinä, jotka ovat voimakkaampia deuteriumplasmassa. Myös virtausten värähtelyväli on suurempi deuteriumilla. Simulaatiot ennustavat sekä törmäyksien että turbulenssin määrittelevän plasman virtausprofiilin ja magneettisen geometrian muovaavan merkittävästi keskimääräistä paine- ja virtausjakaumaa.

Yksityiskohdat

AlkuperäiskieliEnglanti
PätevyysTohtorintutkinto
Myöntävä instituutio
Valvoja/neuvonantaja
Kustantaja
  • Aalto University
Painoksen ISBN978-952-60-8131-1
Sähköinen ISBN978-952-60-8132-8
TilaJulkaistu - 2018
OKM-julkaisutyyppiG5 Tohtorinväitöskirja (artikkeli)

    Tutkimusalat

  • fuusio, tokamak, plasma, turbulenssi, tietokonesimulaatiot, vyöhykevirtaukset

ID: 30203692