Optimizing SOLPS simulations in a linear plasma device through the support of the GBS code for the evaluation of theory-based diffusivities

Multi-fluid numerical codes to simulate the boundary plasma in magnetic devices currently play a crucial role in magnetic confinement fusion (MCF) research. Two branches develop in this field, mean-field and first principle approaches, differing mainly in the way transport is modelled in the direction perpendicular to magnetic field lines. Mean-field codes employs a diffusive approximation and compute perpendicular transport using effective diffusion coefficients, usually experimentally assessed. On the other hand, first principle codes are able to simulate perpendicular transport self-consistently. In this thesis work two codes, namely SOLPS and GBS, based on the mean-field and the first principle approaches respectively, are coupled in an iterative way for the first time. The goal is to provide to SOLPS a set of self-consistently evaluated profiles for effective diffusion coefficients, extracted from the post-processing of results from GBS. Nowadays, strong interest in MCF research community is directed towards this kind of support to mean-field codes coming from first principle ones. The simulation setup of interest is a linear plasma device configuration based on the GyM machine (IFP-CNR, Milan). Suitable modifications are introduced on the current GBS version to apply it to this kind of configuration for the first time. Despite the fundamental role of linear plasma devices in the study of phenomena related to boundary plasmas, applications of multi-fluid codes for simulations of these systems have seldom been exploited. An He plasma, characterized by realistic parameters for the GyM machine, is first simulated by a preliminary SOLPS run, extracting inputs needed for the following GBS simulation. GBS simulation’s results are analyzed, highlighting turbulent structures and plasma drifts evolution in the plasma, and from their post-processing self-consistent radial profiles for effective diffusion coefficients are built. These are then adopted in the SOLPS code again to run optimized simulations and their impact is evaluated.

I codici numerici multi-fluido per simulare il plasma di bordo in macchine a confinamento magnetico hanno un ruolo cruciale nella ricerca sulla fusione a confinamento magnetico (MCF). Due branche si sviluppano in questo campo, approcci mean-field e ai principi primi, differendo principalmente nel modo in cui trattano il trasporto in direzione perpendicolare alle linee di campo magnetico. I codici mean-field impiegano l’approssimazione diffusiva e valutano il trasporto perpendicolare mediante l’uso di coefficienti di diffusione efficace, solitamente stabiliti sperimentalmente. Al contrario, i codici ai principi primi sono capaci di simulare il trasporto perpendicolare in maniera auto-consistente. In questo lavoro di tesi due codici, SOLPS e GBS, rispettivamente basati su approcci mean-field e ai principi primi, sono accoppiati iterativamente per la prima volta. L’obiettivo è fornire a SOLPS un set di coefficienti di diffusione efficace valutati in maniera auto-consistente, estratti dal post-processing dei risultati di GBS. Ad oggi, un forte interesse nella comunità di ricerca MCF è indirizzato verso questo tipo di supporto ai codici mean-field da parte di quelli ai principi primi. Il setup di simulazione è quello di un device lineare basato sulla macchina GyM (IFP-CNR, Milano). Opportune modifiche sono introdotte alla corrente versione di GBS per applicarlo a questo tipo di configurazione per la prima volta. Nonostante il ruolo fondamentale delle macchine lineari nello studio dei fenomeni legati ai plasmi di bordo, l’applicazione di codici multi-fluido per simulazioni di questi sistemi è stata raramente sfruttata. Un plasma di He, con parametri tipici della macchina GyM, è prima simulato da una simulazione SOLPS preliminare, che fornisce gli input richiesti dalla seguente simulazione GBS. I risultati della simulazione GBS sono analizzati, evidenziando l’evoluzione di strutture turbolente e dei drift nel plasma, e dal loro post-processing sono costruiti profili radiali auto-consistenti per i coefficienti di diffusione efficace. Questi sono re-introdotti nel codice SOLPS per girare nuove simulazioni ottimizzate e valutare il loro impatto.