Analysis of ICRF heating schemes for tokamaks using predictive integrated plasma modelling

Abstract

(English) Heating plasmas to fusion-relevant temperatures stands as a pivotal factor in magnetically confined fusion plasmas. The application of radio frequency (RF) heating through electromagnetic waves in the ion cyclotron range of frequencies (ICRF) has demonstrated its efficacy as an auxiliary method in existing fusion devices such as tokamaks. Moreover, ITER will incorporate ICRF antennas as a primary heating mechanism. Consequently, investigating various heating schemes to enhance fusion performance becomes critically significant. This thesis presented the development and assessment of theoretical models for ICRF heating at two operational devices, i.e JET and AUG, and at the ITER upcoming tokamak, with a special focus on this last one. The main objective of this thesis was to use, for the first time, the heating code PION integrated into the European Transport Simulator (ETS) to study and predict how the plasma parameters would be affected and evolve when ICRF heating was applied to ITER Pre-Fusion Power Operation (PFPO), non-active plasmas. Special attention was given to bulk ion heating, temperature enhancement, sensitivity of the ICRF power partition to minority concentration, and to the comparison between the results obtained in this thesis and the results obtained in previous works. The presence of ICRF physics such as Doppler effects, finite orbit width (FOW) effects, finite Larmor radius (FLR) effects, and the screening effect were studied, and their impact was discussed. In order to prove the feasibility of using the PION+ETS integration on currently working reactors, PION+ETS was used to study a JET baseline scenario and an AUG deuterium plasma, even though the emphasis was on the predictions of the ITER non-active phase. The results presented in this thesis are the first results obtained with the PION+ETS integration. Considering the dependence of ITER on every unit of auxiliary heating power that can be introduced into the plasma, it is essential to conduct both numerical and experimental investigations of this nature. The efforts in this thesis were directed towards testing and enhancing the performance of ICRF scenarios. Such endeavours play a critical role in ensuring the successful operation of ITER during its early phase. On this basis, this thesis offered valuable insights into optimising plasma performance through various heating schemes. The results presented here serve as a guide for maximising absorption, bulk ion heating, and final temperature by appropriately configuring the ICRF heating schemes. Of special relevance for the ITER PFPO phase was the study of three ICRF schemes; fundamental minority H heating in He4 plasma at half field (referred to as Scenario 1), second harmonic minority H heating in He4 plasma at the third field (Scenario 2), and fundamental He3 heating in a three-ion scheme in H plasma at 3.3T (Scenario 3). In terms of power density absorbed, single-pass absorption (SPA) coefficients, and final thermal ion temperature, Scenario 1 presented the best alternative as compared to the other two ITER scenarios, with appropriate results obtained with the smallest minority concentration of 1%. Scenario 2 showed the highest electron temperature and the largest thermal ion temperature enhancement, with an interesting possibility of using only a minority concentration of 1% as well. Finally, the three-ion scheme in Scenario 3 presented the best bulk ion heating with minority concentrations two orders of magnitude smaller than the other two Scenarios. FOW and FLR effects were present in all simulations, most notably affecting Scenario 2, where the FLR effects limited the range of energies that the resonating ions could reach. Future steps involve enhancing understanding of available transport modelling tools in the ETS framework, conducting thorough benchmarking against JET and AUG experimental results, and applying PION+ETS to ITER active phase scenarios.

(Español) El calentamiento de plasmas a temperaturas relevantes para la fusión constituye un factor fundamental en los plasmas de fusión confinados magnéticamente. La aplicación del calentamiento por radiofrecuencia (RF) mediante ondas electromagnéticas con la frecuencia ciclotrónica de los iones (ICRF) ha demostrado su eficacia como método de calentamiento auxiliar en tokamaks. Además, ITER incorporará antenas ICRF como método de calentamiento. En consecuencia, la investigación de diversos esquemas de calentamiento para mejorar el rendimiento de la fusión adquiere una importancia crítica. Esta tesis presenta el desarrollo y la evaluación de modelos teóricos para el calentamiento ICRF en dos dispositivos operativos, JET y AUG, y en el futuro tokamak ITER, con especial atención a este último. El objetivo principal de esta tesis era utilizar, por primera vez, el código de calentamiento PION integrado en el Simulador Europeo de Transporte (ETS) para estudiar y predecir cómo se verían afectados y evolucionarían los parámetros del plasma cuando se aplicase el calentamiento ICRF a plasmas no activos de la Fase Inicial Previa a Fusión (PFPO) de ITER. Se prestó especial atención al calentamiento de iones en masa, al aumento de la temperatura, a la sensibilidad de la partición de potencia ICRF a la concentración del ion minoritario y a la comparación entre los resultados obtenidos en esta tesis y los obtenidos en trabajos anteriores. Se estudió la presencia de efectos físicos de ICRF, como los efectos Doppler, los efectos de anchura de órbita finita (FOW), los efectos de radio de Larmor finito (FLR) y el efecto de apantallamiento, y se discutió su impacto. Para demostrar la viabilidad de utilizar la integración PION+ETS en reactores actualmente en funcionamiento, se utilizó PION+ETS para estudiar un escenario de referencia de JET y un plasma de deuterio en AUG, aunque el énfasis se puso en las predicciones de la fase no activa de ITER. Los resultados presentados en esta tesis son los primeros obtenidos con la integración PION+ETS. Teniendo en cuenta la dependencia de ITER en toda la potencia de calentamiento adicional que pueda introducirse en el plasma, es esencial llevar a cabo investigaciones numéricas y experimentales de esta naturaleza. El trabajo de esta tesis se dirigió a testear y mejorar el rendimiento de los esquemas ICRF. De especial relevancia para la fase PFPO de ITER fue el estudio de tres esquemas ICRF; calentamiento minoritario fundamental del H en un plasma de He4 a 2.65T (denominado Escenario 1), el calentamiento minoritario del segundo armónico del H en un plasma He4 a 1.8T (Escenario 2), y el calentamiento fundamental del He3 en un esquema de tres iones en un plasma de H a 3.3T (Escenario 3). En términos de potencia absorbida, coeficientes de absorción de paso único (SPA) y temperatura final de los iones, el Escenario 1 presentó la mejor alternativa en comparación con los otros dos escenarios, con resultados adecuados obtenidos con la menor concentración minoritaria del 1%. El Escenario 2 mostró la mayor temperatura electrónica y el mayor aumento de la temperatura iónica, con la interesante posibilidad de utilizar también sólo una concentración minoritaria del 1%. Finalmente, el esquema de tres iones del Escenario 3 presentó el mejor calentamiento de iones en masa con concentraciones minoritarias dos órdenes de magnitud menores que los otros dos escenarios. Los efectos FOW y FLR estuvieron presentes en todas las simulaciones, afectando más notablemente al Escenario 2, donde los efectos FLR hicieron que la interacción onda-partícula se debilitara a ciertas energías, limitando el rango de energías que los iones resonantes podían alcanzar. Las perspectivas futuras implican mejorar la comprensión de las herramientas de modelado de transporte disponibles en el marco de trabajo de ETS, realizar una exhaustiva comparación con los resultados experimentales de JET y AUG, y aplicar PION+ETS a escenarios de la fase activa en ITER.