Effect of cold alpha-particle removal and fueling scenarios on power and particle balance in fusion plasma

Evolution in time of the plasma density, temperature and thermal alpha-particle density is considered under modeling of the helium ash removal. It is shown that slow changing in time of the helium ash density can be used for the operation path changing in fusion DT plasma. There is considered also the effect of different scenarios of fueling rates on the plasma operation path and steady state parameters. The temporal evolutions of the operating point during the ignition access and ignited operation phases are analyzed analytically and numerically. The main target of the study is the optimization of the plasma operation scenario in future fusion reactors including ITER. В работе рассмотрена эволюция во времени плотности плазмы, температуры и доли тепловых альфа-частиц при моделировании удаления холодных альфа-частиц. Показано, что медленное изменение во времени плотности холодных частиц может быть использовано для управления путем поджига в термоядерной дейтериево-тритиевой плазме. Также рассмотрено влияние различных сценариев ввода топлива на режимы горения плазмы и на параметры в стационарном состоянии. Проведен численный и аналитический анализ эволюции параметров плазмы во времени, влияние на положение рабочей точки на пути достижения горения и непосредственно фазы горения. Основной задачей исследования является оптимизация сценариев поджига и горения плазмы в будущих термоядерных реакторах, включая ITER

Estafette of drift resonances in tokamak configuration with reversed-shear

Induced particle transport by applying perturbations of the magnetic field with low poloidal “wave” numbers is studied by means of computer simulations. Reversed-shear operation regime for tokamaks is considered. The dependence of drift rotational angle transform profile on particle energy is calculated. The range of particle energies corresponding to reversed shear profile is defined. The removal of helium test particle from the plasma core to the periphery is demonstrated. Метод управления переносом частиц под действием магнитных возмущений с малыми тороидальными волновыми числами изучаен посредством численного моделирования. Рассмотрен режим работы токамака с обращенным широм. Исследована зависимость профиля угла дрейфового прокручивания от энергии частицы. Определен диапазон энергий, соответствующих профилю угла дрейфового прокручивания с обращенным широм. Продемонстрирован вывод тестовой частицы гелия из центра плазмы на периферию

D+D fusion products yield in torsatron Large Helical Device

In the present paper we study the possibility to obtain fusion products and control of fusion products amount in operating torsatron device, particularly Large Helical Device. The study is carried out on the base of the particle and power balance equations where the evolution of plasma parameters in time is being followed also. Access of the ignition and the steady operation for different fueling schemes is studied. There were developed the fueling scenarios which provide the amount of fusion products distinguished two orders magnitude amount. It is shown that varying the fueling rates (the source term in the balance equations) makes it possible to control the fusion product amounts two orders of the magnitude. В этой работе нами рассмотрена возможность получения продуктов синтеза и управления их количеством на современной установке торсатронного типа на примере Large Helical Device (LHD). Изучение проблемы проведено на основании уравнений баланса энергии и частиц с одновременным рассмотрением временной эволюции параметров плазмы. Изучены процессы достижения горения и работа в стационарном режиме для различных сценариев подачи топлива в экспериментальную установку. Разработаны такие сценарии подачи топлива в систему удержания, которые позволяют достигать превышения плотности продуктов синтеза на два порядка при равных затратах внешней мощности нагрева. Показано, что, изменяя закон подачи топлива в систему (исходные параметры в уравнениях баланса), можно управлять количеством образующихся продуктов синтеза в пределах двух порядков

Estafette of resonances, stochasticity and control of particle motion

A new method of particle motion control in toroidal magnetic traps with rotational transform using the estafette of drift resonances and stochasticity of particle trajectories is proposed. The using the word "estafette" (relay race) means here that the particle passes through a set of resonances consistently from one to another during its motion. The overlapping of adjacent resonances can be moved radially from the center to the edge of the plasma by switching on the corresponding perturbations in accordance with a particular rule in time. In this way particles (e.g. cold alpha-particle) can be removed from the center of the confinement volume to the plasma periphery

Impurity ion transport under the effect of drift-wave-like electrostatic field

Heavy impurity ion transport is considered in the vicinity of adjacent rational magnetic surfaces under the drift-wave-like potential. Analytical study is done for the simplified magnetic field in the toroidal magnetic trap with the rotational transform of the magnetic field lines. The numerical study is carried out for the helical plasma. The test particle orbits are followed by the numerical integration of Newton-Lorentz equation system for the charged particle in the magnetic field and quasi-static electric field. As the test particle the tungsten ion is taken. Перенос тяжелых ионов примеси рассмотрен вблизи смежных рациональных магнитных поверхностей при наличии электрического потенциала дрейфовой волны. Аналитическое исследование проделано для упрощенной модели магнитного поля в тороидальной магнитной ловушке с вращательным преобразованием магнитных силовых линий. Исследование с помощью численных методов проведено для винтовой плазмы. Орбиты пробных частиц построены путем численного интегрирования системы уравнений Ньютона для заряженной частицы в магнитном поле и квазистатическом электрическом поле. В качестве пробной частицы взят ион вольфрама

Single particle simulation in the vicinity of separatrix under tokamak X-point sweeping

The removal efficiency of the divertor X-point sweeping regimes is considered on the base of the numerical simulation of the tungsten ion motion in the gyroorbit approximation. The dependence of the loss particle fraction from the kinetic energy and initial position is studied. The results of the analysis show that the appropriate choice of the modulation law of the divertor current gives an opportunity to decrease heat load of the plasma facing components.Ефективність різних режимів розгойдування Х-точки розглянуто на основі результатів моделювання руху іону вольфраму при врахуванні кінцевої величини радіуса Ларморівської орбіти. Вивчено залежність долі втрачених частинок від кінетичної енергії та початкового положення. Результати аналізу вказують на те, що при належному виборі закону модуляції струму в диверторних провідниках можливо зменшити теплове навантаження на матеріальну частину дивертора.Эффективность различных режимов раскачивания Х-точки рассмотрена на основании результатов моделирования движения иона вольфрама при учёте конечного радиуса Ларморовcкой орбиты. Изучена зависимость доли потерянных частиц от кинетической энергии и начального положения. Результаты анализа показывают, что при правильном выборе закона модуляции тока в диверторных проводниках возможно уменьшить тепловую нагрузку на материальную часть дивертора

Impurity ion removal with the use of drift resonance

Impurity ion removal in a toroidal magnetic trap with a helical field under time-dependent magnetic field perturbations is considered using guiding center equations. The ultimate goal is to find out ways to remove impurities from the confinement volume or to protect the confinement volume from impurity ion penetration in stellarator (torsatron) type traps

Effect of AC electric field with the changeable in time frequency on trapped particles

The effect of alternating electric field on the particle detrapping in two kinds of magnetic configurations with different || modulation is considered here

Effect of the resonance phenomena on high energetic particle losses in closed magnetic trap with the rotational transform of the magnetic field

The mechanism of controlled resonant particle transport in the closed magnetic traps is studied. The resonance condition of the particle-magnetic field interaction is presented. The dependence of the resonance radial position on the particle kinetic energy and parameter value is demonstrated. The cold α-particle motion in close vicinity to the resonance position is analyzed with the use of numerical integration of the guiding center equations under Coulomb scattering.Вивчено механізм керованого переносу резонансних заряджених частинок в замкнутих магнітних пастках. Представлено резонансну умову в разі взаємодії частинка-магнітне поле. Досліджено залежність радіального положення резонансу від кінетичної енергії та значення параметра частинки. Проаналізовано рух α-частинки поблизу резонансу шляхом чисельного інтегрування рівнянь ведучого центру за наявності кулонівського розсіювання.Изучен механизм управляемого переноса резонансных заряженных частиц в замкнутых магнитных ловушках. Представлено резонансное условие в случае взаимодействия частица-магнитное поле. Исследована зависимость радиального положения резонанса от кинетической энергии и значения параметра частицы. Проанализировано движение α-частицы вблизи резонанса путём численного интегрирования уравнений движения ведущего центра при наличии кулоновского рассеяния

The influence of magnetic islands on the impurity ion motion in the drift optimized stellarator

The motion of the charged test particles ensemble of tungsten ions in the drift optimized stellarator Wendelstein 7-X with the chain of 5 magnetic islands is studied. The numerical code solves the guiding center equations written in the Hamiltonian form. To simulate the Coulomb scattering the Monte Carlo collision operator is used. The scattering of the particles due to the collisions and magnetic islands is shown. The question of the possibility to use the magnetic islands for the prevention of impurity penetration to the plasma is discussedВивчено рух ансамблю заряджених частинок іонів вольфраму у дрейфово-оптимізованому стелараторі Вендельштайн 7-Х з ланцюгом з п’яти магнітних островів. Рівняння ведучого центру, що записані у гамільтоновій формі, розв’язуються чисельно. Для моделювання кулонівського розсіяння використовується дискретний оператор Монте-Карло. Показано розсіяння частинок в полоїдальному перерізі під впливом зіткнень та магнітних островів. Обговорюється питання про можливість використання островів для запобігання проникання домішок у плазму.Изучено движение ансамбля заряженных тестовых частиц ионов вольфрама в дрейфово- оптимизированном стеллараторе Вендельштайн 7-Х с цепочкой из пяти магнитных островов. Уравнения ведущего центра, записанные в гамильтоновской форме, решаются численно. Для моделирования кулоновского рассеяния используется дискретный оператор Монте-Карло. Показано рассеяние частиц в полоидальном сечении под воздействием столкновений и магнитных островов. Обсуждается вопрос о возможности использования магнитных островов для предотвращения проникновения примесей в плазму