Interaction between neutral beam fast particles and plasma in fusion experiments

Neutral beam injection (NBI) is one of the most used and reliable methods to heat plasmas in magnetically confined fusion devices. NBI is used in most of the present experiments, it will be used as dominant auxiliary power system in ITER experiment and studies are ongoing for DEMO reactor preconceptual designs with neutral beam (NB) systems. NBI is an essential actuator for plasma scenarios in terms of heating and driven current. This thesis presents the work performed during the 3 years of my Ph.D.. It focuses on numerical studies of the interaction between energetic particles coming from NBI and magnetically confined hot plasmas. The main aspects discussed in this thesis are the neutral beam ionization, fast ion confinement, fast ion losses, power deposition and driven current. A brief discussion of NBI as fuelling source is also presented. NBI modelling tools have been applied to study different devices with dominant NB power: the largest tokamak in operation (JET), the largest helical device in operation (LHD) and DEMO tokamak reactor concept. Detailed modelling of NBI by means of a Monte Carlo orbit following code has been provided for JET discharge analyses. A predictive simulation aimed at reconstructing the ion temperature profile with strong ion heating from NBI has been performed, resulting in a reliable prediction when the experimental measurement was not available due to a diagnostic fault. JET NBI-plasma interaction has been studied by predictive simulations for H discharges starting from reference D discharges in support of JET isotope studies. The isotopic change and the consequent effect on NBI-plasma interaction has been discussed also for LHD helical device, where studies in preparation of future D experiments (instead of H) are ongoing. NBI is one of the options as additional power system for a demonstrative fusion power plant (DEMO), and a pre-conceptual design of the reactor is ongoing within EUROfusion activities. DEMO scenario simulations have been carried out both for pulsed and steady-state concepts. The role of NBI as dominant heating and current drive system has been investigated by sensitivity studies, comparisons with other heating systems and transport investigations of transient phases (plasma ramp-up and ramp-down).

L’iniezione di fasci di particelle neutre (neutral beam injection NBI) é uno dei metodi piú utilizzati e affidabili per scaldare il plasma in esperimenti sulla fusione termonucleare confinata magneticamente. L’NBI é utilizzato nella maggior parte degli attuali esperimenti, verrá applicato come riscaldamento dominante in ITER e studi sono in corso per implementare l’NBI nel progetto europeo del futuro reattore dimostrativo DEMO. L’NBI gioca un ruolo fondamentale per i plasmi fusionistici in termini di riscaldamento e capacitá di indurre corrente nel plasma. Questa tesi presenta il lavoro svolto durante i tre anni del mio dottorato e si focalizza su studi numerici dell’interazione tra particelle energetiche provenienti dall’NBI e plasmi confinati magneticamente. Gli aspetti principali discussi sono la ionizzazione del fascio di neutri nel plasma, il confinamento e le perdite degli ioni veloci, la deposizione di potenza e la corrente di plasma indotta dal fascio. Viene inoltre presentata una breve discussione sull’NBI come sorgente di particelle. Diversi codici numerici sono stati applicati per lo studio di esperimenti caratterizzati da un riscaldamento dominante tramite NBI: sono stati studiati il piú grande tokamak attivo al mondo (JET), il piú grande stellarator attivo al mondo (LHD) e il progetto del reattore dimostrativo europeo DEMO. Accurate simulazioni dell’iniezione del fascio neutro sono state elaborate grazie ad un codice Monte Carlo per l’analisi di esperimenti di JET. Una simulazione predittiva é stata condotta con l’intento di ricostruire il profilo di temperature ionica del plasma nel caso di rilevante riscaldamento ionico da parte dell’NBI. Ció ha prodotto un’attendibile ricostruzione in un caso in cui le misure sperimentali non erano disponibili a causa di un problema con lo strumento di misura. L’interazione tra NBI e plasma al JET é stata studiata tramite simulazioni predittive anche per scariche in idrogeno, partendo da scariche di riferimento in deuterio, con l’obbiettivo di studiare gli effetti che il cambiamento isotopico provoca sul plasma di JET. Studi sugli effetti isotopici sono stati effettuati anche per LHD, esperimento a configurazione elicoidale, dove si stanno preparando i futuri esperimenti in deuterio al posto degli usuali esperimenti in idrogeno. L’iniezione di particelle neutre é una delle opzioni come riscaldamento addizionale del plasma per il futuro reattore dimostrativo DEMO. Attualmente uno studio pre-concettuale di questo reattore é in corso a livello europeo. Simulazioni degli scenari di DEMO sono state effettuate sia per il progetto di un DEMO pulsato, sia per un DEMO a funzionamento stazionario. Il ruolo dell’NBI come riscaldamento principale e sistema per indurre la corrente di plasma é stato investigato tramite studi di sensibilitá, confronti con altri sistemi di riscaldamento e simulazioni delle fasi transitorie del plasma (accensione - ramp-up - e spegnimento - ramp-down - della scarica).