Modelling and validation of neutral particle flow by means of stochastic algorithms using the example of a fusion divertor

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. ... mehr
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.

Particle exhaust is a key process that controls the plasma core density and the pumping of the helium ash resulting from the nuclear reactions. In fusion machines such as the tokamak in its divertor configuration, the particle flow in the divertor and sub-divertor region is related to the pressure and the gas being pumped by the torus pumping system. This is why predictive modelling of the neutral particle exhaust is crucial for understanding and optimizing the operation of vacuum systems in fusion devices.
The main objective of this dissertation is to develop a numerical tool based on the Direct Simulation Monte Carlo (DSMC) Method that describes the neutral gas flow in fusion applications. ... mehrWithin the framework of the open-source C++ toolbox for computational fluid dynamics OpenFOAM, the in-built DSMC solver dsmcFoam is employed for modelling, simulation and validation of the neutral gas flows in the divertor region for the first time in a context of nuclear fusion. A necessary step to apply dsmcFoam in the divertor region is to first assure that the solver can predict gas flows in a simple geometry. Therefore, dsmcFoam is verified against theoretical predictions and benchmarked against independent numerical calculations. The sensitivity analysis on the modelling parameters shows the effect on the flow field as a function of time step, cell size dependence and number of modelled particles. As second step, the solver capabilities are further developed in order to model gas absorption at surfaces via the sticking probability.
With this new capability of the dsmcFoam solver, the analysis of the particle exhaust in the sub-divertor of the JT-60SA tokamak is performed. The analysis has been carried out by studying the gas flow with and without neutral particle interactions. The study confirms that the inclusion of collisions between particles plays a significant role in the description of the neutral gas transport and the gas flow development in tokamak sub-divertors. This is reflected in the pressure values of the DSMC collisional model, which increase by around 25% and 40% when comparing them with the pressure values obtained with the DSMC collisionless model. The comparison is the first of its type in the application context of nuclear fusion.
The second application of dsmcFoam consists of the analysis of the gas flow of a high-divertor pressure scenario in ITER tokamak. For a 10 Pa divertor pressure, the neutral gas flow in the ITER 2009-design geometry is studied. Here the gas recirculation effects through the divertor are shown to have a direct dependency with the pressure at the pumping port. The relation between the gas flowing towards the plasma main chamber and the pressure at the pumping port is obtained. The simulations have shown that the pressure increase at the pumping port enhances the gas flow at the low-field side (LFS), whereas at the high-field-side (HFS) no effect is observed. The study shows that flow reversal near the pumping port occurs, leading to an increase of the particle flow at the LFS.
The combination of experimental data and DSMC modelling allows the calculation of neutral gas flow in the entire sub-divertor of ASDEX Upgrade (AUG) tokamak. With the installed Divertor III in AUG, dedicated experiments focusing in the particle exhaust by operating the tokamak with full cryogenic pumping is modelled with DSMC. The modelling shows that particle fluxes below the divertor dome region and at the LFS are comparable to the experimental measurements. A mismatch is found between the calculated gas fluxes in the modelling and the measurements at the HFS manometers, behind the divertor target. The sensitivities on the AUG modelling have shed light onto dependencies among sub-divertor parameters, which are of relevance in divertor operation.