Computational analysis of ion cyclotron resonance frequency heating for JET experiments
Authors:   , Gallart Escolà Dani 
Published: October 2023

Heating plasmas to a relevant fusion temperature is one of the key aspects of magnetically confined fusion plasmas. Radio frequency (RF) heating with electromagnetic waves in the ion cyclotron range of frequencies (ICRF) has been proven to be an efficient auxiliary method in present fusion devices such as tokamaks. Moreover, the International Thermonuclear Experimental Reactor (ITER) will be provided with ICRF antennas as one of the main heating mechanisms. For that, the study of different heating schemes to optimise the fusion performance is of utmost importance.

During the 2015-2019 Joint European Torus (JET) campaigns many efforts have been devoted to the exploration of high-performance plasma scenarios envisaged for D-T operation in JET. Experiments in D, H and T are expected to lead in 2020 to the first experiments with 50%:50% D-T mixtures. These last campaigns at JET have been focused on enhancing the fusion performance of the baseline and hybrid scenarios with the final goal of improving ITER's future operation. This thesis reports on the modelling study of plasma heating through ICRF waves and NBI for recent experiments at JET with special emphasis on plasma performance.

The modelling has been performed mainly with the ICRF code PION. Simulations are in excellent agreement with experimental results which proves the reliability of the results shown in this thesis. The assessment of the results offer an overview to understand and optimise plasma performance for high-performance hybrid discharges that were performed with D plasma and H minority.

Impurity accumulation control with ICRF waves was found to be efficient only for a range of central resonance locations while impurity accumulation occurred for off-axis resonance. Contribution to temperature screening from fast ions was calculated to be negligible when finite orbit widths (FOW) are taken into account, as opposed to previous studies that did not take into account FOW. Small differences in H concentration have a large impact on power partition between H and D. The lower the H concentration the larger the power channeled to D which is shown to substantially enhance the D-D fusion rate. The study of a neutron record high-performance discharge shows high bulk ion heating and low H concentration as key ingredients for increased fusion performance.

Of especial relevance for ITER is the study of the D-T prediction from high-performance discharges. This analysis compares two ICRF schemes, H and 3He minority. It is shown that 3He is a strong absorber and provides higher bulk ion heating as compared to H. However, ICRF fusion enhancement is computed to be larger in H, as this scheme has a stronger 2nd harmonic heating. In D-T, ICRF fusion enhancement is computed to be significantly lower with regards to D-D plasmas due to different fusion cross sections. Results in preparation of the T and D-T campaigns at JET show that the extrapolation from T to D-T plasmas is not straightforward. PION predicts the T density to have a large impact on the T velocity distribution function for the ITER relevant 2nd$ T harmonic heating scheme. Larger concentrations of T lead to higher bulk ion heating, therefore, it is expected D-T bulk ion heating to be lower.
L'escalfament de plasmes a una temperatura de fusió rellevant és un dels aspectes clau dels plasmes de fusió confinats magnèticament. L'escalfament de radiofreqüència (RF) amb ones electromagnètiques en el rang de freqüències iòniques (ICRF) s'ha demostrat que és un mètode auxiliar eficient en dispositius de fusió actuals, com ara tokamaks. D'altra banda, el Reactor Termonuclear Experimental Internacional (ITER) disposarà de les antenes ICRF com un dels principals mecanismes d'escalfament. Per això, l'estudi de diferents esquemes d'escalfament per optimitzar el rendiment de fusió és sumament important. Durant les campanyes del Joint European Torus (JET) 2015-2019 s'han dedicat molts esforços a l'exploració d'escenaris de plasma d'alt rendiment previstos per a l'operació D-T en JET. S'espera que els experiments en D, H i T condueixin el 2020 als primers experiments amb 50%: 50% de mescles D-T. Aquestes darreres campanyes a JET s'han centrat en millorar el rendiment de fusió dels escenaris bàsics i híbrids amb l'objectiu final de millorar el futur funcionament de l'ITER. Aquesta tesi dóna informació sobre l'estudi de modelització de l'escalfament de plasma mitjançant ones ICRF i NBI per a experiments recents a JET amb especial èmfasi en el rendiment del plasma. El modelat s'ha realitzat principalment amb el codi PION per a ICRF. Les simulacions estan en excel·lent acord amb els resultats experimentals el qual demostra la fiabilitat dels resultats mostrats en aquesta tesi. L'avaluació dels resultats ofereix una visió general per comprendre i optimitzar el rendiment del plasma per a descàrregues híbrides d'alt rendiment que es van realitzar amb plasma D i una minoria d'H. El control de l'acumulació de les impureses amb ones ICRF només es va trobar eficaç per a una sèrie de localitzacions de ressonància central, mentre que es va produir una acumulació d'impureses per a ressonàncies fora de l'eix. Es va calcular que la contribució a l'apantallament per temperatura de les impureses pels ions ràpids és insignificant quan es tenen en compte les amplades d'òrbita finites (FOW), a diferència d'estudis anteriors que no tenien en compte FOW. Petites diferències de concentració d'H tenen un gran impacte en la partició de potència entre H i D. Com més baixa sigui la concentració d'H, més gran és la potència canalitzada a D, es demostra que millora substancialment el número de reaccions de fusió D-D. L'estudi d'una descàrrega d'alt rendiment amb un rècord de neutrons generats mostra que l'escalfament dels ions i una baixa concentració d'H són els ingredients clau per augmentar el rendiment de les reaccions de fusió. És especialment rellevant per a ITER l'estudi de la predicció de D-T de descàrregues d'alt rendiment. Aquesta anàlisi compara dos esquemes d'ICRF, la minoria d'H i la de 3He. Està demostrat que 3He és un gran absorbent i proporciona un major escalfament dels ions en comparació amb l'H. No obstant això, la millora de la fusió per ICRF és més gran en H, ja que aquest esquema té un segon escalfament harmònic més potent. A D-T, la millora de la fusió per l'ICRF és significativament menor pel que fa als plasmes D-D a causa de les diferències en les seccions eficaces de les reaccions de fusió. Els resultats de la preparació de les campanyes de T i D-T a JET demostren que l'extrapolació de plasmes de T a D-T no és senzilla. PION pronostica que la densitat de T tindrà un gran impacte en la funció de distribució de velocitat del T per a l'esquema d'escalfament harmònic pertanyent a ITER. Per exemple, les concentracions més grans de T generen un escalfament de ions més gran, per tant, es preveu que l'escalfament dels ions a D-T sigui més baix.