Automated magnetic divertor design for optimal power exhaust

• Automatisierter Entwurf magnetischer Divertor-Konfigurationen für die optimale Wärmeleistungsabfuhr

Blommaert, Maarten; Gauger, Nicolas Ralph (Thesis advisor); May, Georg (Thesis advisor); Frank, Martin (Thesis advisor); Reiter, Detlev (Thesis advisor)

Jülich : Forschungszentrum Jülich GmbH, Zentralbibliothek, Verlag (2017)
Buch, Doktorarbeit

In: Schriften des Forschungszentrums Jülich. Reihe Energie & Umwelt/ Energy & environment 365
Seite(n)/Artikel-Nr.: xxiv, 219 Seiten : Illustrationen, Diagramme

Dissertation, RWTH Aachen University, 2016

Kurzfassung

Der so genannte Divertor ist das übliche Abfuhrsystem für Teilchen und Leistung in einem Kernfusionsreaktor der Gattung Tokamak. Im Wesentlichen leitet die magnetische Konfiguration das Plasma zu einer bestimmten Divertor-Struktur um. Das Design dieses Divertors ist nach wie vor ein wichtiges zu lösendes Thema, um aus Tokamak Fusionsexperimenten kommerzielle Kraftwerken zu entwickeln. Der Schwerpunkt dieser Arbeit liegt auf einer bestimmten Designanforderung: Der Vermeidung übermäßiger Wärmelasten auf der Divertor-Struktur. Der Designprozess des Divertors wird durch Plasmarand-Transportcodes unterstützt, die den Plasma- und Neutralteilchentransport im Rand des Reaktors simulieren. Diese Codes sind rechnerisch extrem anspruchsvoll, vor allem aufgrund der komplexen Kollisionsprozesse zwischen Plasma- und Neutralteilchen, die zu starken Strahlungssenken und makroskopischer Wärmekonvektion in der Nähe der Gefäßwände führen. Eine Möglichkeit, die Wärmeabfuhr zu verbessern, ist durch Modifizierung des magnetischen Einschlusses, der den Plasmafluss regelt. In dieser Dissertation wird das automatisierte Design der magnetischen Konfiguration basierend auf adjungierten Optimierungsverfahren untersucht. Ein einfaches und schnelles Störungsmodell wird verwendet, um das Magnetfeld in dem Vakuumbehälter zu berechnen. Eine stabile Methode des verschachelten Typs zur Ermittlung des optimalen Designs wird ausgearbeitet, die mehrere nicht-lineare Designeinschränkungen und Codelimitierungen berücksichtigt. Mit entsprechenden Definitionen der Kostenfunktion ist in einem praktischen Designbeispiel die Wärme gleichmäßiger über die stark wärmebelasteten Wandkomponenten verteilt. Außerdem werden praktische teilweise adjungierte Sensitivitätsrechnungen vorgestellt, die eine Möglichkeit zu einem effizienten Optimierungsverfahren bieten. Die Ergebnisse sind für einen fiktiven JET (Joint European Torus) Fall ausgearbeitet. Die Wärmebelastung wird unter Verwendung einer Aufweitung des magnetischen Flusses hin zur Divertor-Struktur stark reduziert. Anschließend werden Mängel des Störungsmodells für die magnetische Feldberechnungen im Vergleich zu einer Gleichgewichtssimulation mit freien Rändern (FBE) (Free-Boundary Equilibrium) diskutiert. Diese Mängel in dem magnetischen Modell werden überwunden, indem eine Strategie ausgearbeitet wird, die einen vollständigen FBE Code in den Optimierungsansatz integriert. Unter Verwendung des vollständigen Modells werden Ergebnisse einer Anwendung auf den neuen WEST-Divertor (tungsten (W) Environment in Steady-state Tokamak) präsentiert. Abschließend werden One-Shot-Optimierungsverfahren für eine weitere Beschleunigung des Optimierungsansatz betrachtet. Statt Zustandsgleichungen und adjungierte Gleichungen in jeder Optimierungsiteration vollständig zu lösen wird beim One-Shot-Verfahren nur eine einzelne Iteration des Lösers für die Zustandsgleichung und adjungierte Gleichung pro Optimierungsiteration durchgeführt. Um die Kosten für Designanpassungen zu reduzieren wird eine Gitterdeformationsmethode für streng Fluss-ausgerichtete Gitter hergeleitet. Ausgehend von einer Literaturrecherche, wird eine neue One-Shot-Strategie erarbeitet, die den Globalisierungansatz der modernsten One-Shot-Verfahren besitzt, während gleichzeitig eine höhere Effizienz und praktische Verwendbarkeit gegeben ist. Bei einem unbeschränkten Testfall zeigt das neue Verfahren stabile Konvergenz.

Einrichtungen

• Lehrstuhl für Angewandte und Computergestützte Mathematik [115010]
• Fachgruppe Mathematik [110000]