Including neoclassical effects in gyro-kinetic particle-in-cell simulations of tokamak plasmas via appropariate collision operators

In magnetically confined plasmas, neoclassical transport sets the lowest possible level of particle and heat loss when turbulence is absent. To run trustworthy gyro-kinetic simulations of tokamaks we therefore need to evaluate the level of the neoclassical transport that depends on a sound model of particle collisions. In this thesis, I implement and test two collision operators in the TRIangular-MEsh Gyro-kinetic particle-in-cell code TRIMEGC1: a Lorentz pitch-angle-scattering model for electron–ion collisions and a like-species Fokker–Planck model for ion–ion collisions. These operators are necessary to reproduce the neoclassical particle and heat transport. For a large-aspect-ratio tokamak, the Lorentz model is verified by examining the electron transport and the bootstrap current driven by a density gradient at uniform temperature. In the benchmark of the neoclassical electron transport, the simulated particle and heat fluxes, as well as the bootstrap current, agree with the drift-kinetic theory of the neoclassical transport, showing that the newly implemented collision operator in TRIMEG-C1 works as intended. The like-species model is verified by studying the ion transport at uniform temperature.

In plasmi confinati magneticamente, il trasporto neoclassico stabilisce il livello minimo possibile di perdita di particelle e energia in assenza di turbolenza. Per eseguire simulazioni giro-cinetiche affidabili di tokamak, è quindi necessario valutare il livello del trasporto neoclassico, il che dipende da un modello valido di collisione tra particelle. In questa tesi, implemento e testo due operatori di collisione nel codice giro-cinetico particlein-cell su griglia triangolare TRIMEG-C1: il modello di collisione di Lorentz per le collisioni elettrone-ione e l’operatore di collisione di Fokker–Planck per collisioni tra specie omogenee (ione-ione). Questi operatori sono indispensabili per riprodurre il trasporto neoclassico di particelle e energia. Per un tokamak ad alto rapporto d’aspetto, il modello di Lorentz è verificato esaminando il trasporto degli elettroni e la corrente di bootstrap indotta da un gradiente di densità a temperatura uniforme. Nella verifica del trasporto neoclassico degli elettroni, i flussi simulati di particelle e calore, così come la corrente bootstrap, concordano con la teoria cinetica del trasporto neoclassico, dimostrando che il nuovo operatore di collisione implementato in TRIMEG-C1 funziona come previsto. Il modello per specie omogenee è verificato studiando il trasporto degli ioni in un campo di temperatura uniforme.