Particle-in-cell modeling of inductively coupled plasmas for the ITER NBI source prototypes

ITER will be equipped with two Neutral Beam Injection (NBI) systems to achieve the temperatures required for the deuterium-tritium fusion reactions to occur. The research and development activities for the ITER NBI are being carried out at Neutral Beam Test Facility in Padua (Italy), which hosts MITICA, the full-size NBI, and SPIDER, the full-scale, radio frequency driven, caesium assisted prototype of the NBI negative ion source. Improving SPIDER performances requires the optimization of the power coupling efficiency and of the plasma uniformity in the extraction region. Both are affected by the inductively coupled plasma (ICP) dynamics. Extensive numerical efforts have been pursued to investigate the ICP dynamics, however fluid models are limited by physical assumptions, while Particle-In-Cell Monte-Carlo-Collisions (PIC MCC) models require onerous computational resources. An electrostatic Cartesian 2D-3V PIC MCC is under development at Consorzio RFX, called gppic. The code lacks the inductive coupling model and relies on density scaling to manage computational complexity. The thesis aim is to implement the inductive coupling in gppic and to obtain a stable simulation that reproduce plasma oscillations within RF cycles. First the code is adapted from a 2D Cartesian electrostatic framework to a 2D axisymmetric cylindrical one. Second the Maxwell's equations are model to describe self-consistently the inductive discharge. Finally, the input parameters are selected to obtain a stable simulation. The results showed that scaling the density spoils the ICP simulations. Moreover, even tough a stable simulation was not achieve, the code permits to describe main features of low-frequency ICP. The thesis work confirms that the PIC model provides a powerful kinetic tool to capture the ICPs dynamics. However, the code application is strongly limited by computational resources and code optimization. In the context of SPIDER optimization, the inductive coupling model is a preliminary step towards the code development to study the impact of the ICP dynamics on SPIDER performances.

ITER sarà equipaggiato con due iniettori di neutri (NBI). Le attività di ricerca e sviluppo per il NBI di ITER sono condotte presso il Neutral Beam Test Facility (NBTF) di Padova, che ospita MITICA, NBI a piena scala, e SPIDER, il prototipo in scala reale della sorgente di ioni negativi del NBI, alimentato a radiofrequenza e assistito con cesio. Il miglioramento delle prestazioni di SPIDER richiede l'ottimizzazione dell'efficienza di accoppiamento della potenza e dell'uniformità del plasma nella regione di estrazione. Entrambi sono influenzati dalla dinamica del plasma accoppiato induttivamente (ICP). Numerosi studi sono stati condotti per analizzare la dinamica dell’ICP. Tuttavia, i modelli fluidi risultano limitati dalle ipotesi fisiche, mentre i modelli Particle-In-Cell Monte Carlo Collisions (PIC-MCC) richiedono notevoli risorse computazionali. Presso il Consorzio RFX è in fase di sviluppo un codice elettrostatico PIC-MCC 2D-3V cartesiano, denominato gppic, che non include l’accoppiamento induttivo e impiega uno scaling della densità per gestire la complessità computazionale. L’obiettivo della tesi è implementare l’accoppiamento induttivo in gppic e ottenere una simulazione stabile che riproduca le oscillazioni del plasma durante il ciclo RF. Il codice è stato prima adattato in coordinate cilindriche assialsimmetriche. Successivamente, le equazioni di Maxwell sono state modellate per descrivere in modo auto-consistente la scarica induttiva. Infine, i parametri di ingresso sono stati selezionati per ottenere una simulazione stabile. I risultati hanno mostrato che lo scaling della densità compromette la validità delle simulazioni. Sebbene non sia stata raggiunta una soluzione stabile, il codice è stato in grado di riprodurre le principali caratteristiche delle scariche ICP a bassa frequenza. Il lavoro di tesi conferma che il modello PIC rappresenta uno strumento cinetico adatto a descrivere la dinamica non lineare dei plasmi ICP, grazie alla possibilità di utilizzare un numero limitato di assunzioni fisiche e a una formulazione concettualmente semplice. Tuttavia, la sua applicazione è limitata dalle risorse computazionali. L'implementazione dell'accoppiamento induttivo rappresenta quindi un primo passo fondamentale nello sviluppo di gppic per studiare l'impatto della dinamica ICP sulle prestazioni di SPIDER.