Predictive simulations of deuterium fuelling in DTT plasma

Controlled thermonuclear fusion plays a crucial role in the energy transaction towards renewable sources. In this context is placed DTT (Divertor Tokamak Test facility), an experimental reactor designed to study the controlled exhaust of energy and particles by conveying them to a particular structure called divertor. In order to keep constant the density levels and to obtain good plasma performance, it is necessary to balance the continuous particle losses with external fuelling systems. In particular, since DTT is not meant to operate the fusion between Deuterium (D) and Tritium (T), the supply of particles from outside will involve only the first isotope. In order to study and optimize the two fuelling systems for DTT, gas puff and pellet injection, predictive simulations concerning both particle sources and the plasma response to them are required. The first part of this thesis work consists of a series of simulations establishing the nominal level of gas puff which has to be applied to sustain the desired plasma density. This procedure is needed to evaluate if this value exceeds the feasibility limits of the pumping system and the levels beyond which plasma edge degradation would occur. The results shows values that are very close or even larger than the critical one, depending on the choice of the edge parameters. As a result, predictive simulations were required to study pellet injection as an alternative fuelling method. In particular, in accordance with previous studies, we explored the possibility of fuelling the plasma using pellets of three different sizes and velocities (1: r=0.7mm, v=617m/s; 2: r=1mm, v=516m/s; 3: r=1.3mm, v=640m/s), evaluating the optimal injection frequency and the respect of the limits imposed on the post-injection density increase. The results obtained shows that pellets of small size (r<=1mm) are an excellent alternative to gas puff, as they are able to sustain the desired density levels without causing excessive disturbances and with optimized frequencies well in line with the available injector capacities.

Al giorno d’oggi, la ricerca sulla fusione termonucleare controllata gioca un ruolo cruciale nella transizione energetica verso le fonti rinnovabili. In questo contesto si colloca DTT (Divertor Tokamak Test facility), un reattore sperimentale pensato per studiare lo scarico controllato di energia e particelle convogliandoli in una particolare struttura chiamata divertore. Per raggiungere buone prestazioni di plasma, sarà necessario bilanciare la perdita continua di particelle con sistemi di fuelling esterni, al fine di mantenere costanti i livelli di densità. In particolare, dato che DTT non è stato pensato per operare la fusione tra deuterio (D) e trizio (T), l’iniezione di particelle dall’esterno coinvolgerà solamente il primo isotopo. Al fine di studiare e ottimizzare i 2 principali metodi di fuelling previsti per DTT, gas puff e iniezione di pellets, è necessario un lavoro di simulazioni predittive riguardanti sia queste sorgenti di particelle che la risposta del plasma ad esse. Questa tesi si inserisce in questo specifico ambito di ricerca. La prima parte del lavoro ha avuto lo scopo di stabilire il livello nominale di gas puff da applicare per sostenere la densità di plasma desiderata, al fine di valutare se questo supera i limiti di fattibilità del sistema di pompaggio e anche i livelli oltre i quali si avrebbe un degradamento del bordo del plasma. I risultati hanno messo in luce dei valori molto vicini o anche superiori a quelli critici, a seconda della scelta dei parametri di bordo del plasma. Si è quindi reso necessario un lavoro di simulazioni predittive con lo scopo di studiare l’iniezione di pellets come metodo di fuelling alternativo. In particolare, si è esplorata la possibilità di rifornire il plasma utilizzando pellets di tre diverse dimensioni e velocità (1: r=0.7mm, v=617m/s;2: r=1mm, v=516m/s;3: r = 1.3mm, v=640m/s). I risultati ottenuti hanno mostrato che pellets di dimensioni contenute (r <=1mm) costituiscono un’ottima alternativa al gas puff, in quanto riescono a sostenere i livelli di densità desiderati senza produrre perturbazioni eccessive e con frequenze ottimizzate ben in linea con le capacità degli iniettori disponibili.