Modelling and validation of neutral particle flow by means of stochastic algorithms using the example of a fusion divertor
Creators: name: Gleason González, Cristian
Publisher: name: Karlsruher Institut für Technologie (KIT)
Year: 2022
Subjects: Gas dynamics
DSMC method
nuclear fusion
tokamak divertor
tokamak particle exhaust
vacuum

description: Die Partikelabfuhr ist ein Schlüsselprozess, der die Plasmakerndichte und das Abpumpen der Heliumasche, die aus den Kernreaktionen resultiert, steuert. In Fusionsanlagen wie dem Tokamak in seiner Divertorkonfiguration, steht die Partikelströmung im Divertor und in der Subdivertor-Region in Zusammenhang mit dem Druck und dem Gas, welches durch das Toruspumpensystem abgepumpt wird. Deshalb ist die vorausschauende Modellierung der Neutralpartikel-Abfuhr von entscheidender Bedeutung für das Verständnis sowie für die Optimierung des Betriebs von Vakuumsystemen in Fusionsanlagen. Das Hauptziel der hier vorliegenden Dissertation ist die Entwicklung eines numerischen Tools, das auf der Direct Simulation Monte Carlo Methode basiert ist. Dieses soll die Neutralgasströmung in Fusionsanwendungen beschreiben. Der im Funktionsumfang der Open-Source C++ Toolbox für Computational Fluid Dynamik, OpenFOAM, enthaltene DSMC Solver dsmcFoam wird erstmals im Rahmen der Kernfusion zur Modellierung, Simulation und Validierung von Neutralgas-Strömungen im Divertorbereich angewendet. Ein erforderlicher erster Schritt für die Anwendung des dsmcFoam in der Divertorregion ist es, sicherzustellen, dass der Solver die Gasströmungen in einer einfachen Geometrie vorhersagen kann. Hierzu wird dsmcFoam mit theoretischen Vorhersagen verifiziert und mit unabhängigen numerischen Berechnungen abgeglichen. Die Sensitivi-tätsanalyse der Modellierungsparameter zeigt die Auswirkungen auf das Strömungsfeld in Abhängigkeit von Zeitschritt, Zellgrößenabhängigkeit und Anzahl der modellierten Partikel. Im zweiten Schritt werden die Solver-Funktionalitäten weiterentwickelt, um die Gasabsorption an Oberflächen über die Stickingkoeffizient (Haftwahrscheinlichkeit) zu modellieren. Mit dieser neuen Funktionalität des dsmcFoam-Solvers wird die Analyse der Partikelabfuhr im Subdivertor des Tokamaks JT-60SA durchgeführt. Die Analyse umfasst die Studie der Gasströmung mit und ohne Wechselwirkungen von Neutralteilchen. Die Studie bestätigt, dass die Berücksichtigung von Kollisionen zwischen Teilchen eine wesentliche Rolle in der Beschreibung des Neutralgastransports und der Gasströmungsentwicklung in Tokamak-Subdivertoren spielt. Dies zeigt sich in den Druckwerten des DSMC-Kollisionsmodells, welche im Vergleich zu den Druckwerten vom kollisionslosen DSMC-Modell um etwa 25% bzw. 40% ansteigen. Dieser Vergleich ist der erste seiner Art im Anwendungskontext der Kernfusion. Die zweite Anwendung des dsmcFoam besteht in der Analyse der Gasströmung in einem Divertor-Hochdruckszenario im Tokamak ITER. Die Neutralgasströmung wird für einen 10 Pa Divertordruck in der ITER-2009-Designgeometrie untersucht. Dabei wird gezeigt, dass die Gaszirkulations-Effekte durch den Divertor in direkter Abhängigkeit zum Druck am Pumpenauslass stehen. Der Zusammenhang zwischen dem Gas, das zur Plasmahauptkammer strömt und dem Druck am Pumpenauslass, wird festgestellt. Die Simulationen haben ergeben, dass der Druckanstieg am Pumpenauslass die Gasströmung auf der Niederfeldseite (LFS) verstärkt, während auf der Hochfeldseite (HFS) kein Effekt zu beobachten ist. Die Studie zeigt, dass sich die Erhöhung der Gasströmung auf der Niederfeldseite durch eine Rückströmung am Pumpenausfluss ergibt. Durch die Kombination von Experimentaldaten mit DSMC-Modellierung wird die Berechnung der Gasströmung im gesamten Subdivertor des Tokamaks ASDEX Upgrade (AUG) ermöglicht. Mit dem installierten Divertor III in AUG wurden Experimente, die mit Fokus auf die Partikelabfuhr im Betrieb des Tokamaks bei voller Leistung der kryogenen Pumpen durchgeführt wurden, mit DSMC modelliert. Die Modellierung zeigt, dass die Partikelflüsse unterhalb der Divertordome-Region und am LFS mit den experimentellen Messungen vergleichbar sind. Zwischen den kalkulierten Gasströmungen in der Modellierung und den Messungen an den HFS-Manometern wurde hinter den Divertortarget eine Diskrepanz festgestellt. Die Sensitivitäten zur AUG-Modellierung haben die Abhängigkeiten zwischen den Subdivertor-Parametern aufgezeigt, die für den Divertorbetrieb von Bedeutung sind.