Analysis and modelling of gamma ray emission in large tokamak plasmas

Žohar, Andrej (avtor), Lengar, Igor (mentor), Nocente, Massimo (komentor)

Understanding the physics of fast ions in a fusion plasma is widely regarded as one of the crucial tasks for the reliable operation of fusion tokamak reactors. Measurements on tokamaks have shown that gamma rays are produced when fast ions react either with the plasma fuel ions or with main plasma impurities such as beryllium, carbon, oxygen and nitrogen. Spectroscopy of these gamma rays can be used to measure fusion rates in the plasma or to determine the behaviour and confinement of fusion reaction products, such as alpha particles. The dissertation focuses on the development of a modelling methodology for the creation of a realistic plasma gamma ray source for Monte Carlo transport simulations in large tokamaks. The methodology consists of several steps. First step is the generation of validated plasma parameters using the code TRANSP based on experimental measurements. Second step is the generation of sampling distribution functions from the calculated plasma parameters, such as the calculation of the source position distribution function based on the reaction rate densities for the gamma ray emitting reaction. Third step is the creation of a realistic plasma gamma ray source for the code MCNP to simulate gamma ray transport. The validation of the developed methodology is performed using gamma ray spectra measured with the tangential gamma ray spectrometer during two JET three-ion radio frequency heating scenario discharges performed in the JET 2019 Deuterium experimental campaign. For validation, the calculated plasma gamma ray spectrum was combined with the neutron induced prompt gamma ray background originating in the vacuum vessel and scaled to absolute values by calculating the total number of plasma gamma ray and neutron emitting reactions. The comparison shows good agreement between the shape and absolute values of the spectra at the end of a long detector line of sight. An analysis of a deuterium-tritium neutron commissioning discharge is also performed to test and prepare the developed methodology for the deuterium-tritium experimental campaign at JET. Validation and testing of the developed methodology for the plasma gamma ray source at JET provides a basis for using the developed methodology to support the development of future tokamaks such as ITER and DEMO.

• Jezik: Angleški jezik
• Ključne besede: tokamak, JET, plasma transport, reaction cross-section, plasma gamma ray spectrum, Monte Carlo particle transport, gamma ray source, TRANSP, MCNP, variance reduction, ADVANTG
• Vrsta gradiva: Doktorsko delo/naloga
• Tipologija: 2.08 - Doktorska disertacija
• Organizacija: FMF - Fakulteta za matematiko in fiziko
• Leto izida: 2022
• PID: 20.500.12556/RUL-137336
• COBISS.SI-ID: 111284227
• Datum objave v RUL: 11.06.2022

Sekundarni jezik

• Jezik: Slovenski jezik
• Naslov: Analiza in modeliranje emisije žarkov gama v plazmah velikih tokamakov

Izvleček

Zadrževanje plazemskih ionov ter razumevanje njihovih fizikalnih principov velja za eno ključnih nalog za zanesljivo delovanje fuzijskih tokamak reaktorjev. Pretekle meritve na tokamakih so pokazale, da pri reakcijah hitrih ionov bodisi s plazemskimi ioni ali z nečistočami v plazmi, kot so berilij, ogljik, kisik in dušik, nastanejo žarki gama. Spektroskopija teh žarkov gama omogoča merjenje hitrosti fuzijskih reakcij v plazmi ali določitev zadrževanja fuzijskih reakcijskih produktov, kot so alfa delci v plazmi. Doktorska disertacija se osredotoča na razvoj metodologije modeliranja realističnega plazemskega izvora žarkov gama v velikih tokamakih za transportne simulacije z metodo Monte Carlo. Metodologija je sestavljena iz številnih korakov. Prvi korak je izračun realističnih plazemskih parametrov na osnovi eksperimentalnih meritev z uporabo kode TRANSP. Drugi korak je generiranje verjetnostnih porazdelitev za Monte Carlo metodo na podlagi izračunanih plazemskih parametrov, kot je na primer izračun verjetnostne porazdelitve za določitev položaja izvora žarkov gama na podlagi gostote reakcijske hitrosti za reakcije, ki izsevajo te žarke gama. Tretji korak je generiranje realističnega izvora plazemskih žarkov gama za transportno simulacijo žarkov gama s programom MCNP. Validacija razvite metodologije je bila izvedena s pomočjo meritev spektrov žarkov gama v JET tangencialnem spektrometru, opravljanih med dvema JET pulzoma v devterijevi eksperimentalni kampanji leta 2019. Izračunani spekter plazemskih žarkov gama so bili za validacijo združeni z žarki gama nastalih pri nevtronskih reakcijah s tokamak komponentami in normalizirani na absolutne vrednosti z izračunom števila reakcij, ki oddajajo plazemske žarke gama in številom proizvedenih nevtronov. Primerjava je pokazala dobro ujemanje tako v obliki spektra kot tudi v absolutnih vrednostih v tangencialnem detektorju, ki se nahaja na koncu dolgega vidnega polja v biološkem ščitu tokamaka JET. V nalogi je bila izvedena tudi primerjava z meritvami žarkov gama sproščenih pri zlivanju devterija in tritija za pripravo razvite metodologije na JET devterij-tritij eksperimentalno kampanjo. Validacija in analiza razvite metodologije izvora plazemskih žarkov gama na tokamaku JET predstavlja osnovo za bodočo uporabo razvite metodologije pri podpori razvoja bodočih tokamakov, kot sta tokamaka ITER in DEMO.

• Ključne besede: tokamak, JET, plazemski transport, reakcijski presek, spekter plazemskih žarkov gama, Monte Carlo transport delcev, izvor žarkov gama, TRANSP, MCNP, redukcija variance, ADVANTG