Drift-kinetic approach to global MHD stability in volumetric neutron source plasmas

The present thesis work aims at analyzing the stability of Volumetric Neutron Sources plasmas adopting an appropriate drift-kinetic corrected MHD model. This project is part of the design process of new devices for the qualification of DEMO breeding blanket components. To reach the required neutron fluence minimizing the tritium consumption, the plasma is heated by injection of accelerated deuterium beams, which, despite constituting a minority population, contribute to a significant fraction of the equilibrium pressure. For this reason it is necessary to implement physical models including the interaction between the MHD mode of interest and the drift motions of the various species through the resonance operator. The CHEASE code is employed to map equilibrium quantities on the fixed boundary grid successively used by the MARS-* stability code. The MARS-Q version adopts a fluid-wise MHD model, while the MARS-K extension inserts the drift-kinetic corrections via a perturbed pressure tensor whose components depend on the distribution functions. Using physical arguments, some input profiles have been properly modeled. In particular, the pitch-angle anisotropy characterizing the injected beams will be considered also by means of parameters adapted to the distribution in output from Monte Carlo simulations. The MARS-Q simulation results are used to set the position of external resistive structures and the plasma pressure, analyzing at the same time the role of the toroidal subsonic rotation. The kinetic effects have been successively included to study the effect of mode-particle resonances on the growth-rate for different plasma pressures. Eventually, the operational feasibility of the chosen working point will be discussed on the basis of the obtained data, and possible future developments will be suggested.

Questo lavoro di tesi si propone di analizzare la stabilità di plasmi mirati ad essere Sorgenti Volumetriche di Neutroni adottando un appropriato modello MHD con correzioni drift-cinetiche. Esso si inserisce nel processo di progettazione di nuovi dispositivi per la qualificazione di componenti per la breeding blanket di DEMO. Al fine di raggiungere la desiderata fluenza neutronica minimizzando il consumo di trizio, il plasma viene riscaldato mediante iniezione di atomi di deuterio accelerati che, pur essendo una popolazione minoritaria, contribuiscono ad una significativa frazione della pressione di equilibrio. Per questo motivo è necessario implementare modelli fisici che includano l'interazione tra il modo MHD di interesse e i moti di deriva delle varie popolazioni mediante l'operatore di risonanza. Il codice CHEASE è impiegato per mappare le quantità di equilibrio sulla griglia con contorno fissato usata poi dal codice di stabilità MARS-*. La versione MARS-Q adotta il modello MHD fluido, mentre l'estensione MARS-K inserisce le correzioni drift-cinetiche mediante un tensore di pressione perturbata le cui componenti dipendono dalle funzioni di distribuzione. Basandosi su considerazioni di carattere fisico, alcuni profili in input sono stati opportunamente modellizzati. In particolare, l'anisotropia nell'angolo di volo che caratterizza i fasci iniettati verrà considerata anche mediante parametri adattati alla distribuzione fornita da simulazioni Monte Carlo. I risultati delle simulazioni di stabilità con MARS-Q sono usati per impostare la posizione di strutture esterne resistive e la pressione di plasma, analizzando allo stesso tempo il ruolo della rotazione toroidale subsonica. Gli effetti cinetici sono successivamente inseriti per studiare l'effetto delle risonanze modo-particelle sul tasso di crescita a diverse pressioni di plasma. Infine, le possibilità operative del punto di lavoro scelto verranno discusse sulla base dei dati ottenuti, e verranno suggeriti possibili futuri sviluppi.