Numerical investigation of nuclear fusion relevant plasmas in linear devices through the SOLPS-ITER code

The use of increasingly sophisticated numerical codes to simulate complex physical phenomena such as those happening in boundary plasma of magnetic devices, finds always more room in the framework of magnetic confinement nuclear fusion research (MFC). In this thesis work, the latest version of the SOLPS (Scrape-Off Layer Plasma Simulator) code, namely SOLPS-ITER, has been applied to simulate plasma characteristics of the linear magnetic confinement system GyM of IFP-CNR. The exploitation of this kind of code to simulate linear plasma devices has been only seldom exploited in the past, if compared to the much more extended literature on tokamak applications. Nevertheless, these studies are of keen interest among the international nu- clear fusion community, since the importance of these machines in the study of plasma-wall interaction (PWI) and other edge plasma phenomena. This thesis work shows the concrete possibility to apply this code to linear geometries, with plasma densities and fluxes much lower than those typically simulated in tokamaks and other linear devices. Both the fluid and fluid-Monte Carlo coupled versions of SOLPS-ITER have been used so simulate argon and deuterium plasmas. The standalone fluid mode has been employed to address numerical issues, such as convergence and the effects of spatial and temporal discretization, while in coupled fluid-Monte Carlo mode, sensitivity analysis of different physical parameters of the code, e.g. neutral density, radial transport coefficients and external power, have been done. The thus obtained results, although they have to be considered preliminary achievements, are in good agreements with experimental data.

L’impiego di codici numerici sempre più sofisticati per simulare fenomeni fisici complessi come quelli che avvengono nel plasma di bordo in macchine a confinamento magnetico, sta trovando sempre più spazio nel contesto della ricerca sulla fusione nucleare a confinamento magnetico (MCF). In particolare all’interno di questo lavoro di tesi, l’ultima versione del codice SOLPS (Scrape-Off Layer Plasma Simulator), chiamata SOLPS-ITER, è stata usata per simulare le caratteristiche del plasma generato dalla macchina lineare a confinamento magnetico GyM di IFP-CNR. L’applicazione di questi codici a macchine lineari, anche se ad oggi ha trovato limitata applicazione in confronto a quanto sviluppato nel caso di tokamak, trova interesse da parte della comunità scientifica internazionale, data l’importanza di questa classe di devices per lo studio dell’interazione plasma-prima parete (PWI) ed altri fenomeni che avvengono nel plasma di bordo. Questo lavoro di tesi dimostra la possibilità di applicare questa tipologia di codici a macchine con geometria lineare e con caratteristiche di densità di plasma e flussi di particelle molto inferiori rispetto a quelle tipicamente simulate nel caso di tokamak e altre macchine lineari. Il codice è stato utilizzato in entrambe le sue versioni, fluido e fluido/Monte Carlo, per simulare plasmi di argon e di deuterio. La versione fluida standalone è stata utilizzata per studiare aspetti di carattere numerico, come la convergenza del codice e gli effetti di discretizzazione spaziale e temporale, mentre nella versione accoppiata fluido/Monte Carlo, sono state fatte analisi di sensitività sia variando parametri fisici del sistema, come la densità di neutri, la potenza e i coefficienti di trasporto radiali. I risultati ottenuti, seppur frutto di un’indagine ancora preliminare, risultano essere in buon accordo con i dati sperimentali disponibili.