Simulace magnetické rovnováhy tokamaků

Abstract

Termojaderná fúze je potenciálním zdrojem pro další staletí. K jejímu dosažení na Zemi je potřeba simulovat podmínky v centru Slunce. V takových podmínkách je veškerá hmota v plazmatickém skupenství a proto je potřeba vybudovat termojaderný reaktor, který dokáže vytvořit prostředí pro plazma. Podmínky na takový reaktor jsou stanoveny Lawsonovým kritériem. Tokamak je jedním typů termojaderných reaktorů a je mezi nimi nejblíže ke splnění tohoto kritéria. Na druhé straně bližší analýza Lawsonova kritéria stanovuje potřebu po zvětšení celého zařízení typu tokamak. Avšak velké experimenty jako ITER a DEMO jsou finančně náročné a jejich návrh a konstrukce potřebují být podloženy numerickými simulacemi. Důležitou součástí takových simulací je řešič magnetické rovnováhy. Tato práce rozšiřuje a používá kód FREEBIE. FREEBIE je řešičem vývoje magnetické rovnováhy pro volnou hranici používaným v souboru transportních kódů, resp. projektem European Transport Solver (ETS), jehož cílem je možnost simulace celého tokamakového výboje. FREEBIE je, jakožto nedávno započatý soubor kódů, stále ve vývoji a tato práce dokumentuje jeho rozšiřování o řešič libovolných elektrických obvodů a modulem dodatečného zpracování dat. Tento řešič je potřeba k přesnějším simulacím tokamaku COMPASS. Během tohoto roku vznikla nová výzva v podobě vylepšení tokamaku COMPASS na nový, nesoucí název COMPASS-U. Tato práce přispívá do projektu COMPASS-U využitím možností kódu FREEBIE. Byla provedena studie statické magnetické rovnováhy pro různé tvary plazmatu s výsledky stanovující proudové požadavky na cívky poloidálního pole. Vertikální nestabilita byla charakterizována pro jednotlivé studované tvary dle její rychlosti růstu. Tyto výsledky jsou důležité pro návrh zdrojů tokamaku COMPASS-U a jeho zpětnovazební řízení.

Thermonuclear fusion is a potential energy source for next few centuries. In order to control this process on Earth, it is necessary to simulate conditions of the Sun core. All matter is in plasma state in these conditions and therefore a thermonuclear reactor is needed to create a environment for the plasma. Requirements for such a reactor are stated in the Lawson criterion. The tokamak device is of all other types of thermonuclear reactor closest to fulfilment of the criterion. On the other hand, closer analysis of the Lawson criterion results in the need of scaling the tokamak device. However, large experiments like ITER and DEMO are expensive and their design and construction need to be supported by numerical simulations. An important part of such simulations is an equilibrium solver. This thesis enhances and utilizes the FREEBIE code. FREEBIE is a free-boundary equilibrium evolution solver utilized by the CRONOS transport suite or the European Transport Solver (ETS) project, whose purpose is to enable complete tokamak discharge simulations. FREEBIE is, as a recent code, still in development and this work documents effort of its enhancement by a solver of general electrical circuits and by a post-processing module. The circuit solver is particularly needed for simulations of the COMPASS tokamak. During this year, an upgrade of the COMPASS tokamak---COMPASS-U---emerged as a new, challenging project. This thesis contributes to the COMPASS-U project by exploiting the features of the FREEBIE code. Static equilibrium with various plasma shapes have been simulated, providing current requirements on the poloidal field coils. Vertical displacement events (VDE) have been characterized by their growth rates. This yields important inputs for the design of COMPASS-U power supplies and feedback systems.