H- Beam formation simulation in negative ion source for CERN's Linac4 accelerator

The caesiated surface negative ion source is the first element of CERN's LINAC4 a linear injector designed to accelerate negative hydrogen ions to 160 MeV. The IS03 ion source is operated at 35 mA beam intensity and reliably feeds CERN's accelerator chain, H- ions are generated via plasma volume and caesiated molybdenum plasma electrode surface mechanisms. Studying the beam extraction region of this H- ion source is essential for optimizing the H- production. The 3D Particle-in-cell Monte Carlo code ONIX (Orsay Negative Ion eXtraction), written to study H- beam formation processes in neutral injectors for fusion, has been adapted to single aperture accelerator H- sources. The code was modified to match the conditions of the beam formation and extraction regions of the Linac4 H- source. A set of parameters was chosen to characterize the plasma and to match the specific volume and surface production modes. Simulated results of the extraction regions are presented and benchmarked with experimental results obtained at the Linac4 test stand

Recent EUROfusion Achievements in Support of Computationally Demanding Multiscale Fusion Physics Simulations and Integrated Modeling

Integrated modeling (IM) of present experiments and future tokamak reactors requires the provision of computational resources and numerical tools capable of simulating multiscale spatial phenomena as well as fast transient events and relatively slow plasma evolution within a reasonably short computational time. Recent progress in the implementation of the new computational resources for fusion applications in Europe based on modern supercomputer technologies (supercomputer MARCONI-FUSION), in the optimization and speedup of the EU fusion-related first-principle codes, and in the development of a basis for physics codes/modules integration into a centrally maintained suite of IM tools achieved within the EUROfusion Consortium is presented. Physics phenomena that can now be reasonably modelled in various areas (core turbulence and magnetic reconnection, edge and scrape-off layer physics, radio-frequency heating and current drive, magnetohydrodynamic model, reflectometry simulations) following successful code optimizations and parallelization are briefly described. Development activities in support to IM are summarized. They include support to (1) the local deployment of the IM infrastructure and access to experimental data at various host sites, (2) the management of releases for sophisticated IM workflows involving a large number of components, and (3) the performance optimization of complex IM workflows.This work has been carried out within the framework of the EUROfusion Consortium and has received funding from the Euratom research and training programme 2014 to 2018 under grant agreement 633053. The views and opinions expressed herein do not necessarily reflect those of the European Commission or ITER.Peer ReviewedPostprint (published version

Modélisation de l'extraction d'ions négatifs d'une source de plasma d'hydrogène : application à l'injecteur de neutres d'ITER.

The development of the negative ion source constitutes a crucial step in the construction of the neutral beam injector of ITER. To fulfil the ITER requirements in terms of heating and current drive, the negative ion source should deliver 40 A of D-. The achievement of such a source is challenging from technical and scientific points, and it requires a deeper understanding of the underlying physics. The present knowledge of the ion extraction mechanism from the negative ion source is limited due to the complexity of the problem that involves the comprehension of the behaviour of magnetized plasma sheaths when negative ions and electrons are pulled out from the plasma. Moreover, due to the asymmetry induced by the crossed magnetic configuration used to filter the electrons, any realistic study of this problem must consider the three spatial dimensions. To address this problem in a realistic way, a 3D Particles-in-Cell electrostatic code specifically designed for this system was developed. The code uses Cartesian coordinate system and it can deal with complex boundary geometry as it is the case of the extraction apertures. The complex magnetic field that is applied to deflect electrons is also taken into account. This code, called ONIX, was used to investigate the plasma properties and the transport of negative ions and electrons close to a source extraction aperture. Results on the formation of the plasma meniscus and the screening of the extraction field by the plasma are presented here, as well as negative ions trajectories. Negative ion extraction efficiency from volume and surfaces was investigated showing the capital importance of the surface negative ion production.Le développement de la source d'ions négatifs pour l’injecteur de particules d’ITER constitue une des étapes essentielles pour générer des neutres de haute énergie . Pour remplir les caractéristiques requises pour ITER en termes de chauffage et de courant à l'intérieur du réacteur principal, la source d'ions négatifs doit délivrer 40A de D-. La création d'une telle source représente un défi tant technique que scientifique et demande une meilleure compréhension des phénomènes physiques impliquées . Les connaissances actuelles sur le méchanisme d'extraction d'ion négatifs d’un plasma électronégatif sont limitées, spécialement concernant la compréhension des caractéristiques d'une gaine de plasma magnétisé dans la région d’intérêt où on constante également l’extraction des électrons simultanément avec les ions négatifs qui. De plus, l'asymétrie due à la configuration croisée du champ magnétique pour piéger les électrons nécessite une étude du problème en trois dimensions. Un code 3D Particle-In-Cell électrostatique a été spécialement développé pour étudier ce problème. Le code utilise les coordonnées cartésiennes et peut prendre en compte des géométries complexes. Le code nommé ONIX étudie les propriétés du plasma et le transport des électrons et des ions négatifs au niveau de la zone d'extraction. Les résultats sur la formation d'un ménisque de plasma et l'écrantage du champ d'extraction par ce plasma, ainsi que les trajectoires des ions négatifs, sont présentés. L'efficacité de l'extraction d'ions négatifs du volume et de la surface est investiguée et on trouve que les processus de création en surface des ions négatifs jouent un rôle capital

Modélisation de l'extraction d'ions négatifs d'une source de plasma d'hydrogène (application à l'injecteur de neutres d'ITER.)

Le développement de la source d'ions négatifs pour l injecteur de particules d ITER constitue une des étapes essentielles pour générer des neutres de haute énergie . Pour remplir les caractéristiques requises pour ITER en termes de chauffage et de courant à l'intérieur du réacteur principal, la source d'ions négatifs doit délivrer 40A de D-. La création d'une telle source représente un défi tant technique que scientifique et demande une meilleure compréhension des phénomènes physiques impliquées . Les connaissances actuelles sur le méchanisme d'extraction d'ion négatifs d un plasma électronégatif sont limitées, spécialement concernant la compréhension des caractéristiques d'une gaine de plasma magnétisé dans la région d intérêt où on constante également l extraction des électrons simultanément avec les ions négatifs qui. De plus, l'asymétrie due à la configuration croisée du champ magnétique pour piéger les électrons nécessite une étude du problème en trois dimensions. Un code 3D Particle-In-Cell électrostatique a été spécialement développé pour étudier ce problème. Le code utilise les coordonnées cartésiennes et peut prendre en compte des géométries complexes. Le code nommé ONIX étudie les propriétés du plasma et le transport des électrons et des ions négatifs au niveau de la zone d'extraction. Les résultats sur la formation d'un ménisque de plasma et l'écrantage du champ d'extraction par ce plasma, ainsi que les trajectoires des ions négatifs, sont présentés. L'efficacité de l'extraction d'ions négatifs du volume et de la surface est investiguée et on trouve que les processus de création en surface des ions négatifs jouent un rôle capital.The development of the negative ion source constitutes a crucial step in the construction of the neutral beam injector of ITER. To fulfil the ITER requirements in terms of heating and current drive, the negative ion source should deliver 40 A of D-. The achievement of such a source is challenging from technical and scientific points, and it requires a deeper understanding of the underlying physics. The present knowledge of the ion extraction mechanism from the negative ion source is limited due to the complexity of the problem that involves the comprehension of the behaviour of magnetized plasma sheaths when negative ions and electrons are pulled out from the plasma. Moreover, due to the asymmetry induced by the crossed magnetic configuration used to filter the electrons, any realistic study of this problem must consider the three spatial dimensions. To address this problem in a realistic way, a 3D Particles-in-Cell electrostatic code specifically designed for this system was developed. The code uses Cartesian coordinate system and it can deal with complex boundary geometry as it is the case of the extraction apertures. The complex magnetic field that is applied to deflect electrons is also taken into account. This code, called ONIX, was used to investigate the plasma properties and the transport of negative ions and electrons close to a source extraction aperture. Results on the formation of the plasma meniscus and the screening of the extraction field by the plasma are presented here, as well as negative ions trajectories. Negative ion extraction efficiency from volume and surfaces was investigated showing the capital importance of the surface negative ion production.PARIS11-SCD-Bib. électronique (914719901) / SudocSudocFranceF

Extracted current saturation in negative ion sources

International audienceThe extraction of negatively charged particles from a negative ion source is one of the crucial issues in the development of the neutral beam injector system for future experimental reactor ITER. Full 3D electrostatic particle-in-cell Monte Carlo collision code—ONIX [S. Mochalskyy et al., Nucl. Fusion 50, 105011 (2010)]—is used to simulate the hydrogen plasma behaviour and the extracted particle features in the vicinity of the plasma grid, both sides of the aperture. It is found that the contribution to the extracted negative ion current of ions born in the volume is small compared with that of ions created at the plasma grid walls. The parametric study with respect to the rate of negative ions released from the walls shows an optimum rate. Beyond this optimum, a double layer builds-up by the negative ion charge density close to the grid aperture surface reducing thus extraction probability, and therefore the extracted current. The effect of the extraction potential and magnetic field magnitudes on the extraction is also discussed. Results are in good agreement with available experimental data