Fast magnetosonic waves in the ion cyclotron range of frequencies have the potential to heat plasma and drive current in a thermonuclear fusion reactor. A code, SELFO-light, has been developed to study the physics of ion cyclotron resonantheating and current drive in thermonuclear fusion reactors. It uses a global full wave solver LION and a new 1D Fokker-Planck solver for the self-consistent calculations of the wave field and the distribution function of ions.In present day tokamak experiments like DIII-D and JET, fast wave damping by ions at higher harmonic cyclotron frequencies is weak compared to future thermonuclear tokamak reactors like DEMO. The strong damping by deuterium, tritium and thermonuclear alpha-particles and the large Doppler width of fast alpha-particles in DEMO makes it difficult to drive the current when harmonic resonance layers of these ionspecies are located at low field side of the magnetic axis. At higher harmonic frequencies the possibility of fast wave current drive diminishes due to the overlapping of alpha-particle harmonic resonance layers. Narrow frequency bands suitable for the fast wave current drive in DEMO have been identified at lower harmonics of the alpha-particles. For these frequencies the effect of formation of high-energy tails in the distribution function of majority and minority ion species on the current drive have been studied. Some of these frequencies are found to provide efficient ion heating in the start up phase of DEMO. The spectrum where efficient current drive can be obtained is restricted due to weak electron damping at lower toroidal mode numbers and strong trapped electron damping at higher toroidal mode numbers. The width of toroidal mode spectra for which efficient current drive can be obtained have been identified, which has important implications for the antenna design. / <p>QC 20130327</p>

In a fusion power plant the plasma must be confined to prevent instabilities and energy loss. The confinement machine studied is a tokamak. The focus of the project is to optimize ion resonance heating in WEST. The code called FEMIC was used to simulate different scenarios where parameters such as ion concentrations, antenna frequency are analysed for the case of minority hydrogen in deuterium plasma. The optimal Hconcentration in D-plasma was found to be 10 5%, which allows for a wide concentration interval. However, the strongest coupled power was found to be at the H-concentration of 6%. Thus, the optimal concentration for strongest coupled power and H-minority absorption is 6% in WEST for the case of Hydrogen minority in Deuterium plasma.

Fusion reactors need methods to couple externalpower to confined plasmas. Ion cyclotron resonance heating(ICRH) is a method to radiate electromagnetic waves to couplepower to the kinetic motion of gyrating ions in a plasma. In thisreport we study ICRH with regard to the dispersive effects ofthe confined plasma in the JET tokamak. We study this witha division of the electric field with regard to toroidal modenumbers. Specifically we examine where dispersive effects arelocated in the plasma and if they have any importance. We alsostudy the ion-ion hybrid layer, where according to the dispersionrelation a singularity can occur. To do the analysis, we use thecode FEMIC to simulate fusion scenarios.The results show that ion absorption is stronger and morelocalized for low toroidal mode numbers. This is true for toroidalmode numbers n 10, and for n &lt; 6 the resolution ofthe solutions does not suffice for a meaningful analysis. Anexamination of the effects of the singularity in the dispersionrelation at the ion-ion hybrid layer shows that the amount ofabsorbed power in the ion-ion hybrid layer is significantly smallerthan for the central region of absorption. This means that thesingularity does not affect ICRH heating in our scenarios in anymajor sense. / Fusionsreaktorer behöver metoder för attöverföra extern effekt till ett inneslutet plasma. Joncycklotronresonansuppvärmning (ICRH) är en uppvärmningsmetod därman strålar elektromagnetiska vågor in i ett plasma, vars effektöverförs till roterande joner. I denna rapport studerar vi ICRHmed avseende på de dispersiva effekterna i ett inneslutet plasma itokamaken JET. Detta undersöks med en uppdelning av det totalaelektriska fältet med avseende på toroidala moder. Vi undersökerspecifikt var i plasmat de dispersiva effekterna uppstår ochanalyserar deras påverkan på effektöverföringen. Vi studeraräven en singularitet som uppstår i dispersionsrelationen vid jonjon-hybridlagret. För att göra en analys används koden FEMICför att simulera ICRH-scenarion.Resultaten visar att jonernas absorption är starkare och merlokaliserad för låga toroidala modtal. Detta är sant för modtaln 10. För n &lt; 6 är lösningarnas upplösning för dålig fören betydelsefull analys. En undersökning av jon-jon-hybridlagretvisar att mängden absorberad effekt inom detta område är avsevärt mindre än för de centrala områdena för absorption. Dettamedför att singulariteten i dispersionsrelationen inte påverkarICRH-uppvärmningen i våra simuleringar till en betydelsefullgrad. / Kandidatexjobb i elektroteknik 2021, KTH, Stockholm

The Wide-View Charge Exchange Recombination Spectroscopy (CXRS) diagnostic at Alcator C-Mod, originally designed for measurement of boron, has been modified to fit several different roles. By measuring the He¹⁺ (n = 4 [rightwards arrow] 3) emission line at 4686Å and surrounding spectra, we can measure ⁴He and ³He density, temperature, and velocity profiles and use this information to study turbulent impurity transport. The transport is characterized using a standard ansatz for the radial particle flux: [mathematical equation]. This effort is designated He CXRS. Also, direct measurement of ³He are used to test models of Ion Cyclotron Resonance Heating (ICRH). We look for evidence of fast ion production and the effect of the minority ion profile on fast wave heating. Several modifications were made to the hardware. Light is collected via two optical arrays: poloidal and toroidal. The toroidal array has been upgraded to increase throughput and spatial resolution, increasing the number of toroidal channels from 10 to 22. A new protective shroud was installed on the poloidal array. Additional diagnostics (a 11 channel beam duct view, neutralizer view, duct pressure monitor) were added to the Diagnostic Neutral Beam to improve DNB modeling for CXRS. This work includes investigation of plasmas where helium is at low concentration (<1%), acting passively, as well as scenarios with a large fraction (>~20%). Using the STRAHL code, time-dependent helium density profiles are used to obtain anomalous transport parameters. Thermodiffusion and curvature pinch terms are also estimated from experimental scaling studies. Results are compared with neoclassical results from the NCLASS code and calculations by the GENE gyrokinetic code. Another focus is verification of power deposition models which are crucially dependent on minority ion density, for which ³He is used. At low ³He fraction, direct absorption by ³He generates fast ions with anisotropic velocity-space distribution functions. At high ³He fraction, mode conversion heating of electrons is dominant. The minority distribution function and predicted wave deposition are simulated using AORSA and CQL3D. This work provides the first measurements of helium transport on C-Mod and expands our understanding of helium transport and fast wave heating. / text

The increased effects of global warming have been a driving force to further research and develop sustainable energy sources, such as fusion. In this study, two different fusion devices are compared in terms of ion cyclotron resonance heating (ICRH)of plasma. The two devices are the tokamaks ASDEX Upgrade and not yet built ITER. To make the comparison, ICRH was simulated in the two tokamaks using the FEMIC code. ASDEXUpgrade was simulated with a deuterium plasma and ITER was simulated both with a deuterium and a deuterium-tritium plasma. In all scenarios a 3% minority species concentration,consisting of helium-3, was introduced. The obtained results showa higher and more centered wave absorption in ITER, compared to ASDEX Upgrade. This is mainly due to the size difference of the tokamaks. The smaller plasma radius of ASDEX Upgrade allowed for more wave reflection in the plasma, resulting in standing waves that formed eigenmode patterns. For simulationsin ITER, the waves were absorbed before they could be reflected in the plasma. Instead of standing waves and eigenmode patterns,the waves behaved as beams, propagating in a narrow region of the plasma. This indicates that ITER is more effective in terms of ICRH, as the absorption is greater and more focused to the center, minimizing power losses to the surroundings. / De ökade konsekvenserna av den globala uppvärmningen har varit en drivkraft för fortsatt forskning och utveckling av hållbara energikällor, bland annat fusion. I den här studien jämförs två olika fusionsanläggningar med avseende på joncyklotronresonansuppvärmning (ICRH) av plasma. De två anläggningarna är tokamakerna ASDEX Upgrade och ännu inte byggda ITER. För att göra jämförelser simulerades ICRH i de två tokamakerna med hjälp av FEMIC-koden. ASDEX Upgrade simulerades med ett deuteriumplasma och ITER simulerades med både ett deuteriumoch ett deuterium-tritiumplasma. För alla scenarier introducerades en 3% minoritetskoncentration av helium-3. Resultaten visar en högre och mer centrerad vågabsorption i ITER jämfört med ASDEX Upgrade. Detta beror framför allt på storleksskillnaden mellan tokamakerna. Den kortare plasmaradien av ASDEX Upgrade tillät mer reflektion i plasmat, vilket resulterade i stående vågor som bildade egenmodsmönster. För simuleringar i ITER absorberades vågorna innan de kunde reflekteras i plasmat. I stället för stående vågor och egenmodsmönster uppförde vågorna sig som strålar som propagerade över en smal region i plasmat. Det här indikerar att ITER är mer effektiv med avseende på ICRH, då absorptionen re och mer centrerad, vilket minimerar effektförluster till omgivningen. / Kandidatexjobb i elektroteknik 2022, KTH, Stockholm

This study examines the efficiency of ion cyclotronresonance heating in multi-ion plasmas in JET (Joint EuropeanTorus), using deuterium and tritium as fuel along with smallconcentrations of a third ion species. In particular, two ionminority scenarios, hydrogen and helium, as well as a 3-ionscenario using beryllium were constructed. The scenarios weresimulated with FEMIC and the obtained data was then compiledand analyzed through a number of metrics.The highest total power absorption was 8.56 W and wasachieved by the 4% hydrogen scenario. However, 8% hydrogenattained the highest power partition by the minority ion species.The optimal beryllium concentration regarding absorbed powerwas 0.1% in 36.2% deuterium and 63.4% tritium, with a totalcoupled power of 6.94 W. The highest power partition byberyllium was noted for the 0.25% case in a 36% deuteriumand 63% tritium plasma. / Denna studie undersöker effektiviteten av joncyklotronresonansuppvärmning av JETs (Joint European Torus) plasma, med deuterium och tritium som bränsle, samt små koncentrationer av ett tredje ämne. Mer specifikt undersöks två scenarier med minoritetsjoner, helium och väte, och ett 3-jonscenario med beryllium. För att undersöka dessa olika konstellationer körs simuleringar i FEMIC. Datan som fås från simuleringarna sammanställs och analyseras i enlighet med olika mått. Den högsta totala absorptionen av energi var 8.56 W och fas av 4% väteminoritet. 8% väte ger den högsta energipartitionen för det tredje jonslaget. Beryllium absorberade som mest 6.94 W, detta med 0.1% beryllium, 36.2% deuterium och 63.4% tritium. Den högsta energipartitionen för beryllium uppnåddes med 0.25% beryllium, 36% deuterium och 63% tritium. / Kandidatexjobb i elektroteknik 2020, KTH, Stockholm

<p>NR 20140805</p>

No description available.

The goal of nuclear fusion research is to create a clean and virtually limitless energy source. In order to that, a plasma must be heated to hundreds of millions degrees Celsius. A commonly used heating mechanism is ion cyclotron resonance heating, where antennas emit radio waves into the plasma. The wave can resonate with the ions at their cyclotron frequency, which leads to wave absorption. In order to investigate and improve the heating, one can perform computer simulations. FEMIC is a finite element model for ICRH that calculates the wave field created by the antennas. However, this code does not take into account how the wave modifies the velocity distribution of the plasma. Therefore, a time-independent Fokker-Planck solver is implemented that computes the fast ion distribution due to the incident wave field calculated with FEMIC. The novelty of this code is to include Doppler shift, which influences where ions resonate and how they are heated. / Målet med fusionsforskningen är att skapa en ren energikälla som kan producera obegränsade mängder energi. För detta krävs att ett plasma värms till hundratals miljoner grader Celsius. En vanlig teknik för att värma plasmat är joncyklotronuppvärmning, där en antenn emitterar radiovågor som propagerar in i plasmat. Om vågen är i resonans med jonernas cyklotronrörelse leder detta till att vågen absorberas av jonerna. För att studera och utveckla denna uppvärmningsteknik kan man använda datorsimuleringar. FEMIC är en kod baserad på den finita elementmetoden som beräknar vågfälten som skapas av antennen. Med denna kod kan vi dock inte beräkna hur vågen påverkar jonernas fördelningsfunktioner. Därför har en Fokker-Planck-lösare implementerats som kan beräkna fördelningen av snabba joner som accelererats av vågfältet från FEMIC. Det nya i denna modell är att koden tar hänsyn till Dopplerskiftet, vilket påverkar var jonerna är i resonans med vågen och hur de värms upp.

The future fusion power plants that are based on magnetic confinement will deal with plasmas that inevitably contain energetic (non-thermal) particles. These particles come, for instance, from fusion reactions or from external heating of the plasma. Ensembles of energetic ions can excite eigenmodes in the Alfvén frequency range to such an extent that the resulting wave fields redistribute the energetic ions, and potentially eject them from the plasma. The redistribution of ions may cause a substantial reduction of heating efficiency. Understanding the dynamics of such instabilities is necessary to optimise the operation of fusion experiments and of future fusion power plants. Two models have been developed to simulate the interaction between energetic ions and Alfvén eigenmodes. One is a bump-on-tail model, of which two versions have been developed: one fully nonlinear and one quasilinear. The quasilinear version has a lower dimensionality of particle phase space than the nonlinear one. Unlike previous similar studies, the bump-on-tail model contains a decorrelation of the wave-particle phase in order to model stochasticity of the system. When the characteristic time scale for macroscopic phase decorrelation is similar to or shorter than the time scale of nonlinear wave-particle dynamics, the nonlinear and the quasilinear descriptions quantitatively agree. A finite phase decorrelation changes the growth rate and the saturation amplitude of the wave mode in systems with an inverted energy distribution around the wave-particle resonance. Analytical expressions for the correction of the growth rate and the saturation amplitude have been derived, which agree well with numerical simulations. A relatively weak phase decorrelation also diminishes frequency chirping events of the eigenmode. The second model is called FOXTAIL, and it has a wider regime of validity than the bump-on-tail model. FOXTAIL is able to simulate systems with multiple eigenmodes, and it includes effects of different individual particle orbits relative to the wave fields. Simulations with FOXTAIL and the nonlinear bump-on-tail model have been compared in order to determine the regimes of validity of the bump-on-tail model quantitatively. Studies of two-mode scenarios confirmed the expected consequences of a fulfillment of the Chirikov criterion for resonance overlap. The influence of ICRH on the eigenmode-energetic ion system has also been studied, showing qualitatively similar effects as seen by the presence of phase decorrelation. Another model, describing the efficiency of fast wave current drive, has been developed in order to study the influence of passive components close to the antenna, in which currents can be induced by the antenna generated wave field. It was found that the directivity of the launched wave, averaged over model parameters, was lowered by the presence of passive components in general, except for low values of the single pass damping of the wave, where the directivity was slightly increased, but reversed in the toroidal direction. / De framtida fusionskraftverken baserade på magnetisk inneslutning kommer att hantera plasmor som oundvikligen innehåller energetiska (icke-termiska) partiklar. Dessa partiklar kommer exempelvis från fusionsreaktioner eller från externa uppvärmningsmekanismer av plasmat. Ensembler av energetiska joner kan excitera egenmoder i Alfvén-frekvensområdet i en sådan utsträckning att de resulterande vågfälten omfördelar de energetiska jonerna i rummet, och potentiellt slungar ut jonerna ur plasmat. Omfördelningen av joner kan orsaka en väsentligen minskad uppvärmningseffekt. Det är nödvändigt att förstå dynamiken hos denna typ av instabilitet för att kunna optimera verkningsgraden hos experiment och hos framtida fusionskraftverk. Två modeller har utvecklats för att simulera interaktionen mellan energetiska joner och Alfvén-egenmoder. Den första är en bump-on-tail-modell, av vilken två versioner har utvecklats: en fullt icke-linjär och en kvasi-linjär. I den kvasi-linjära versionen har partiklarnas fasrum en lägre dimensionalitet än i den icke-linjära versionen. Till skillnad från tidigare liknande studier innehåller denna bump-on-tail-modell en dekorrelation av våg-partikelfasen för att modellera stokasticitet hos systemet. När den karakteristiska tidsskalan för makroskopisk fasdekorrelation är ungefär samma som eller kortare än tidsskalan för icke-linjär våg-partikeldynamik så stämmer den icke-linjära och den kvasi-linjära beskrivningen överens kvantitativt. En ändlig fasdekorrelation förändrar vågmodens tillväxthastighet och satureringsamplitud i system med en inverterad energifördelning omkring våg-partikelresonansen. Analytiska uttryck för korrektionen av tillväxthastigheten och satureringsamplituden har härletts, vilka stämmer väl överens med numeriska simuleringar. En relativt svag fasdekorrelation försvagar även "frequency chirping events" (snabba frekvensskiftningar i korttids-Fourier-transformen av egenmodens amplitudutveckling) hos egenmoden. Den andra modellen, kallad FOXTAIL, har ett mycket bredare giltighetsområde än bump-on-tail-modellen. FOXTAIL kan simulera system med flera egenmoder, och den inkluderar effekter av olika enskilda partikelbanor relativt vågfälten. Simuleringar med FOXTAIL och med bump-on-tail-modellen har jämförts för att kvantitativt bestämma bump-on-tail-modellens giltighetsområde. Studier av scenarier med två egenmoder bekräftar de förväntade effekterna av när Chirikov-kriteriet för resonansöverlapp uppfylls. Även inflytandet av ICRH på dynamiken mellan egenmoder och energetiska joner har studerats, vilket har visat kvalitativt liknande effekter som har observerats i närvaron av fasdekorrelation. En annan modell, vilken beskriver effektiviteten hos "fast wave current drive" (strömdrivning med snabba magnetosoniska vågor), har utvecklats för att studera inflytandet av passiva komponenter nära antennen, i vilka strömmar kan induceras av vågfälten som genereras av antennen. Det visades att den utskickade vågens direktivitet, medelvärdesbildat över modellparametrar, generellt sett minskade vid närvaron av passiva komponenter, förutom vid låg "sinlge pass damping" (dämpning av vågen vid propagering genom hela plasmat), då direktiviteten istället ökade något, men bytte tecken i toroidal riktning. / <p>QC 20160927</p>