Particle-in-cell numerical modeling of the "sheath-within-a-sheath" problem for adhered tokamak dust

The emergence of dust - condensed matter particulates with sizes ranging from few nm to hundreds of μm - is a critical operational and safety issue for ITER and future nuclear fusion reactors. Research concerning the major dust release mechanisms, namely dust generation upon plasma-wall interactions and dust remobilization, is thus considered of utmost importance by the fusion community. Dust remobilization is defined as the mo- bilization towards the tokamak vessel of dust residing on a plasma-facing component lo- cation away from its original production site. In particular, the present understanding of dust remobilization under normal tokamak operation upon the action of plasma-induced forces is still insufficient. The major uncertainties arise from the quantitative assessment of plasma forces exerted on adhered dust, since the main assumptions of conventional analytical theories are violated due to overlapping inhomogeneities in the density and electrostatic potential profiles - the so-called sheath-within-a-sheath problem. This thesis work presents a numerical approach capable of reliably quantifying plasma-induced forces and torques on adhered dust, based on Particle-In-Cell simulations with CPIC, a code developed at the Los Alamos National Laboratory, which is precisely suited for multiscale plasma-object interaction studies. New numerical diagnostics that post-process the solu- tion of the Vlasov-Poisson system in order to calculate plasma forces and torques acting on arbitrarily shaped dust grains are implemented. A series of benchmarking tests based on the comparison with existing analytical or semi-analytical results for certain idealized scenarios are presented. Then, the code is applied to the problem of a single perfectly spherical and conducting dust grain attached to a perfectly planar and conducting wall under the assumptions of unmagnetized plasma, smooth surfaces, perfectly absorbing boundaries and non-emissive dust. It is revealed that plasma forces can tend to lift up grains with radius much smaller than the electron Debye length, but are not expected to overcome adhesion. In contrast, larger dust is compressed towards the wall by the plasma.

L’insorgenza di polveri (particolati di materia condensata di dimensioni variabili da pochi nm a centinaia di μm) è una criticità operativa e di sicurezza per ITER e per i futuri reattori a fusione nucleare. Pertanto, i principali meccanismi di rilascio di polveri, tra cui la produzione di polvere a seguito di interazioni plasma-parete e la rimobilitazione di polveri, sono oggi considerati di massimo rilievo. Il termine rimobilitazione indica la mobilitazione verso la camera del tokamak di polveri adese alle pareti lontano dal luogo di origine. In particolare, la rimobilitazione di polveri in condizioni operative normali a causa di forze indotte dal plasma resta un fenomeno limitatamente compreso. Le ra- gioni risiedono nell’ardua valutazione delle forze esercitate dal plasma su grani adesi, poichè le ipotesi delle teorie analitiche convenzionali sono violate dalle disomogeneità nei profili di densità e potenziale elettrostatico dovute alla sovrapposizione delle guaine del plasma. La tesi propone un approccio numerico per quantificare le forze e le coppie indotte dal plasma su polveri adese, sulla base di simulazioni Particle-In-Cell mediante CPIC, un codice impiegato presso il Los Alamos National Laboratory e finalizzato allo studio dell’interazione plasma-oggetto. Sono implementate nuove diagnostiche numeriche che elaborano la soluzione del sistema Vlasov-Poisson al fine di calcolare le forze e le cop- pie che il plasma esercita su grani di polvere. Vengono presentate attività di validazione basate su confronti tra CPIC ed esistenti soluzioni analitiche ammesse in scenari idealiz- zati. Il codice è poi applicato al problema di un grano perfettamente sferico e conduttore adeso a una parete perfettamente piana e conduttrice, sotto alcune assunzioni: plasma non magnetizzato, superfici lisce e perfettamente assorbenti e polvere non emissiva. Lo studio rivela che le forze del plasma tendono a sollevare grani dal raggio ben più piccolo della lunghezza di Debye elettronica, benchè insufficienti a vincere l’adesione. Grani più grandi sono compressi dal plasma verso la parete.