Kinetic Simulations of Ion Transport in Fusion Devices

این پایان نامه به مشکل محصور شدن یون در دستگاه های همجوشی گرما هسته ای می پردازد. این موضوع مورد علاقه عمومی است، زیرا از طریق شبیه‌سازی‌های عددی به درک خواص محصور شدن یون در هندسه‌های پیچیده کمک می‌کند تا رفتار آنها را پیش‌بینی کرده و عملکرد راکتورهای همجوشی آینده را به حداکثر برسانیم. کار اصلی انجام شده در این پایان نامه بهبود و بهره برداری از یک کد شبیه سازی موجود به نام ISDEP است. این کد به اصطلاح حمل و نقل برخورد یونی را در هندسه دلخواه پلاسما حل می کند و از این نظر دیگر کدهای موجود را بهبود می بخشد. علاوه بر این، قابلیت حمل و مقیاس‌پذیری فوق‌العاده‌ای را در معماری‌های محاسباتی توزیع‌شده، مانند Grid یا Volunteer Computing ارائه می‌دهد.
نتایج فیزیکی اصلی را می‌توان به دو بلوک تقسیم کرد. ابتدا مطالعه انتقال یون سه بعدی در ITER ارائه شده است. ITER بزرگترین راکتور همجوشی (در حال ساخت) است و اکثر شبیه‌سازی‌ها تاکنون تقارن محوری دستگاه را فرض می‌کنند. متأسفانه، این تقارن به دلیل تعداد مجزای سیم پیچ های مغناطیسی مورد استفاده، تنها یک تقریبی است. ISDEP با استفاده از یک مدل ساده از میدان مغناطیسی سه بعدی نشان داده است که چگونه محصور شدن یون تحت تأثیر این شکستن تقارن قرار می گیرد. ثانیاً، ISDEP با موفقیت در مطالعه دینامیک یون های سریع در پلاسماهای همجوشی به کار گرفته شده است. یون های سریع، با انرژی بسیار بیشتر از انرژی حرارتی، محصول سیستم گرمایش دستگاه هستند. بنابراین، یک ابزار پیش بینی عددی می تواند برای بهبود راندمان گرمایش استفاده شود. ISDEP با کد FAFNER2 ترکیب شده است تا چنین یون‌هایی را در هندسه‌های ستاره‌دار (TJ-II، LHD) و توکامک (ITER) مطالعه کند. همچنین توسط نتایج تجربی تایید شده است. به ویژه، مقایسه با تشخیص CNPA در ستاره‌ساز TJ-II قابل توجه است.

This thesis deals with the problem of ion confinement in thermonuclear fusion devices. It is a topic of general interest, as it helps to understand via numerical simulations the ion confinement properties in complex geometries, in order to predict their behavior and maximize the performance of future fusion reactors. The main work carried out in this thesis is the improvement and exploitation of an existing simulation code called ISDEP. This code solves the so-called ion collisional transport in arbitrary plasma geometry, improving in this sense other existing codes. Additionally, it presents outstanding portability and scalability in distributed computing architectures, such as Grid or Volunteer Computing.
The main physical results can be divided into two blocks. First, the study of 3D ion transport in ITER is presented. ITER is the largest fusion reactor (under construction) and most of the simulations so far assume the axis-symmetry of the device. Unfortunately, this symmetry is only an approximation because of the discrete number of magnetic coils used. ISDEP has shown, using a simple model of the 3D magnetic field, how the ion confinement is affected by this symmetry breaking.
Secondly, ISDEP has been applied successfully to the study of fast ion dynamics in fusion plasmas. The fast ions, with energies much larger than the thermal energy, are a product of the device’s heating system. Thus, a numerical predictive tool can be used to improve the heating efficiency. ISDEP has been combined with the FAFNER2 code to study such ions in stellarator (TJ-II, LHD) and tokamak (ITER) geometries. It has also been validated by experimental results. In particular, comparisons with the CNPA diagnostic in the TJ-II stellarator are remarkable.