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Vallar, Matteo (2018) Neutral beam fast particle physics in fusion plasma integrated scenarios. [Ph.D. thesis]

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Abstract (italian or english)

Neutral beam injection heating is one of the most reliable ways to heat a
plasma up to the temperatures needed to achieve steady-state thermonuclear
fusion. This system injects neutral particles with energy much higher than
the bulk ion energy, introducing a population of energetic particles which
collide with the plasma ions and electrons. In this way energy and momen-
tum are transferred to the plasma giving as final result an increase of the tar-
get plasma temperature and, depending on the beam characteristics, possible
modifications of its flow and current profile.
Numerical modelling of the behaviour of fast particles in tokamak plasma
is the subject of this thesis. Analytical and Monte Carlo models have been
applied to different devices (RFX-mod, JT-60 SA and TCV) in order to study
the impact of these particles in both inductive (standard) and non-inductive
(advanced) scenarios. Comparison between the different codes have been
made in order to assess if the different models apply correctly to the cases
studied.
RFX-mod device is under modification and the installation of a neutral
beam injector (with fixed parameters and geometry) is in the upgrade hy-
pothesis. The impact of energetic particles in RFX-mod tokamak plasmas is
discussed in this work using METIS fast tokamak simulator and compared
with NUBEAM Monte Carlo code.
The impact of energetic particles in JT-60 SA superconducting tokamak is
studied with ASCOT Monte Carlo orbit solver. This device relies on a wide
and flexible set of beams for plasma heating and current drive, both for stan-
dard and advanced scenarios. The behaviour of the fast particles in JT-60 SA
standard and advanced tokamak plasmas is analysed, showing the reliability
of the neutral beam system in this device.
Neutral beam injection heating in TCV is the last topic studied in this
thesis. The impact of electron cyclotron wave injection heating on energetic
particles behaviour has been studied in advanced tokamak scenarios, where
the expected performances are not achieved using the combination of the
two heating systems. Comparison between ASCOT and NUBEAM code is
performed in order to check which of the two codes

Abstract (a different language)

O aquecimento por injeção de feixes de neutros é um dos métodos mais
fiáveis para aquecer um plasma até às temperaturas necessárias para atingir
fusão termonuclear estacionária. Este tipo de sistema injeta neutros com ener-
gias muito superiores à energia dos iões que constituem o grosso do plasma,
introduzindo uma população de partículas energéticas que, colidindo com os
iões e electrões do plasma, transmite a energia ao plasma. Adicionalmente,
esta população de partículas energéticas também induz corrente no plasma,
contribuindo para a manutenção da descarga.
O tema central desta tese incide na modelização numérica do compor-
tamento de partículas rápidas num plasma de Tokamak. Códigos analíti-
cos e de numéricos de Monte Carlo foram aplicados a diferentes máquinas
(RFX-mod, JT-60 SA and TCV) com vista a estudar o impacto destas partícu-
las em cenários de operação indutivos (cenário standard) e não indutivos
(avançado).
A máquina RFX-mod está a ser melhorada e a instalação de injectores
de feixes neutros (com parâmetros e geometria fixos) é uma das possíveis
melhorias. Deste modo, o impacto das partículas energéticas nos plasmas do
RFX-mod é discutida neste trabalho usando o código analítico METIS.
O impacto de partículas energéticas no tokamak superconductor JT-60SA
é estudado com o código de Monte Carlo ASCOT. Neste Tokamak, o aqueci-
mento do plasma e a geração de corrente, seja em cenário de operação stan-
dard ou avançado, é garantido em grande parte por um conjunto de feixes
de injeção de neutros. Neste trabalho, a dinâmica das partículas rápidas nos
cenários standard e avançado do JT-60SA é analisada, evidenciando a fiabili-
dade do sistema de injeção de neutros no Tokamak.
Um injector de feixes neutros foi instalado no Tokamak TCV há três anos.
Este feixe é importante dado que deposita potência predominantemente nos
iões e permite alargar o regime de operação do tokamak. Nesta tese, após
uma revisão da condição atual do feixe de neutros e da operação com ele
realizada nos últimos três anos, é feito um estudo sobre o impacto do aque-
cimento por injeção de ondas electro-c

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EPrint type:Ph.D. thesis
Tutor:Bolzonella, Tommaso and Malaquias, Artur
Ph.D. course:Ciclo 31 > Corsi 31 > FUSION SCIENCE AND ENGINEERING
Data di deposito della tesi:01 May 2019
Anno di Pubblicazione:30 November 2018
Key Words:nuclear fusion, tokamak, additional heating, neutral beam injection, nu- merical modelling, RFX-mod, JT60SA, TCV
Settori scientifico-disciplinari MIUR:Area 02 - Scienze fisiche > FIS/02 Fisica teorica, modelli e metodi matematici
Struttura di riferimento:Centri > Centro Interdipartimentale "Centro Ricerche Fusione"
Codice ID:11892
Depositato il:05 Nov 2019 17:40
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