aalto1 untyped-item.component.html
The effect of magnetic configuration on fast ions in stellarators
Loading...
URL
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
School of Science |
Doctoral thesis (article-based)
| Defence date: 2026-04-17
Electronic archive copy is available via Aalto Thesis Database.
Unless otherwise stated, all rights belong to the author. You may download, display and print this publication for Your own personal use. Commercial use is prohibited.
Authors
Date
Major/Subject
Mcode
Degree programme
Language
en
Pages
75 + app. 43
Series
Aalto University publication series Doctoral Theses, 32/2026
Abstract
Using nuclear fusion as a baseline electricity source in the future would greatly benefit from steadystate operation. Stellarator fusion reactors are suitable for this task as, unlike tokamaks, they forgo the need for plasma current drive, instead relying on the magnetic field coils alone for shaping the plasma equilibrium.
The complex three-dimensional magnetic structure of stellarators makes charged particle orbits complex compared to axially symmetric devices. Assumptions of toroidal symmetry and related invariants cannot be applied and the magnetic field has to be computationally optimized for improved particle confinement. Computational optimization is also an opportunity to craft a wide operational space of magnetic field topologies, each of them with unique properties. Exploring this operational space nevertheless requires a sophisticated design and simulations for both performance and operational safety. One important factor for both safety and nuclear fusion capabilities in stellarators is the behavior of fast particles. Such ions are created with either neutral beam injection (NBI) or ion cyclotron resonance heating (ICRH).
In this thesis, the behavior of fast ions in different magnetic configurations in stellarators was assessed using the Monte Carlo orbit-following code ASCOT. Two stellarators, Wendelstein 7-X and TJ-II, were included in the study. NBI power loads to the ICRH antenna in Wendelstein 7-X were predicted to be within safe operational limits. The magnetic configuration was predicted to determine both the power load magnitude and its distribution on the antenna. We also developed theoretical models and methods for simulating neutral beam current drive in stellarators using ASCOT. The model was validated against experimental results in TJ-II and found to accurately predict the current drive under stable operating conditions, although charge-exchange reactions were not considered in the assessment. Finally, we simulated neutron production during deuterium NBI operation in Wendelstein 7-X to study the feasibility of installing a scintillating fiber neutron detector. The fusion reactivity and neutron production were simulated with ASCOT and found to be mostly independent of the magnetic configuration and instead determined by the plasma temperature and density profiles. During operating conditions planned for deuterium operation, the neutron flux to the detector was predicted to be sufficient for time-resolved measurements, allowing for observations of the fusion reactivity during deuterium NBI operation.
The methods developed in this thesis improve the accuracy of fast ion simulations and measurements in stellarators, allowing for better estimations of phenomena such as neutral beam current drive and NBI power loads.
Jatkuvatoiminen ydinfuusiomenetelmä olisi pulssimuotoista houkuttelevampi vaihtoehto tulevaisuuden energiantuotantoon. Stellaraattorityypin fuusioreaktorit ovat luonnostaan jatkuvatoimisia, sillä niissä käytetään plasman muotoiluun pelkästään ulkoisia sähkömagneetteja.
Jatkuvatoimisuuden hintana on kuitenkin toroidaalisen symmetriaominaisuuden menettäminen, mikä tekee varattujen hiukkasten radoista monimutkaisempia kuin symmetrisissä laitteissa kuten pulssitoimisissa tokamakeissa. Symmetrian puute myös vähentää liikevakioiden määrää, ja tämän takia magneettikentän rakenne pitää suunnitella tarkasti, jotta varatut hiukkaset pysyvät plasman sisällä. Toisaalta magneettikentän joustava ohjaaminen on stellaraattoreiden tärkeä etu, sillä se sallii magneettikentän säätämisen plasman eri ominaisuuksien optimoimiseksi. Eri magneettikenttien ominaisuuksia pitää kuitenkin arvioida sekä suorituskyvyn kannalta että turvallisuussyistä. Yksi tärkeimmistä tutkimuskohteista stellaraattoreissa on nopeiden hiukkasten käyttäytyminen. Polttoaineplasmaa nopeampia ioneja syntyy stellaraattoreissa eri kuumennusmenetelmistä, kuten neutraalisuihkuista sekä ionien syklotronikuumennuksesta.
Tässä väitöskirjassa tutkimme magneettikentän vaikutusta nopeiden ionien käyttäytymiseen kahdessa eri stellaraattorissa, Wendelstein 7-X:ssä ja TJ-II:ssa. Käytimme tähän tarkoitukseen Monte Carlo -pohjaista ASCOT-radanseurantakoodia. Simuloimme neutraalisuihkun aiheuttamaa tehokuormitusta syklotronikuumennusantenniin Wendelstein 7-X:ssä ja osoitimme kuormituksen olevan turvallisuusrajojen sisällä. Magneettikentän rakenteen ennustettiin lähinnä muuttavan kuormituksen jakaumaa antennin pinnalla. Seuraavaksi kehitimme teoreettisen mallin neutraalisuihkun aiheuttaman virranajon simuloimiseen stellaraattoreissa. Malli validoitiin vertaamalla sen ennustamaa sähkövirtaa kokeellisiin tuloksiin TJ-II -stellaraattorissa. Simulaatioiden havaittiin ennustavan todellisen virran suuruuden hyvin, mutta simulaatioista puuttuva varauksenvaihtomalli vaikeutti validointia. Kolmantena tutkimuskohteena simuloimme fuusioneutronien syntyä Wendelstein 7-X:n tulevissa deuteriumkokeissa. Työn tarkoituksena oli tutkia mahdollisuutta ottaa käyttöön neutroneja havaitseva tuikeilmaisin. ASCOT-koodia käytettiin neutronituoton jakauman määrittämiseen, ja sen havaittiin riippuvan pääasiassa plasman eikä magneettiikentän ominaisuuksista. Tulostemme perusteella neutronivuo tulee olemaan riittävä tuikeilmaisimen käyttämiseen aikariippuvissa reaktiivisuusmittauksissa, kunhan plasman lämpötila on tarpeeksi korkea.
Väitöskirjassa kehitetyt ja esitellyt menetelmät tulevat parantamaan nopeiden ionien käyttäytymisen ennustamista stellaraattoreissa koskien esimerkiksi neutraalisuihkun aiheuttamaa virranajoa ja seinäkuormia.
Description
Supervising professor
Groth, Mathias, Prof., Aalto University, Department of Applied Physics, FinlandThesis advisor
Kurki-Suonio, Taina, Dr., Aalto University, Department of Applied Physics, FinlandOther note
Parts
- [Publication 1]: J. Kontula, S. Äkäslompolo, A. Ikäheimo, S. Lazerson, T. Kurki-Suonio, D. Hartmann, N. Rust, P. McNeely, Ye. O. Kazakov, J. Ongena and the W7-X team. Predictive simulations of NBI ion power load to the ICRH antenna in Wendelstein 7-X. Plasma Physics and Controlled Fusion, 65 075008, May 2023.
Full text in Acris/Aaltodoc: https://urn.fi/URN:NBN:fi:aalto-202306143858DOI: 10.1088/1361-6587/acd07e View at publisher
- [Publication 2]: S. Mulas, Á. Cappa, J. Kontula, D. López-Bruna, I. Calvo, F.I. Parra, M. Liniers, T. Kurki-Suonio and M. Mantsinen. ASCOT5 simulations of neutral beam heating and current drive in the TJ-II stellarator. Nuclear Fusion, 62 106008, August 2022.
DOI: 10.1088/1741-4326/ac85cc View at publisher
- [Publication 3]: J. Kontula, J. P. Koschinsky, S. Äkäslompolo, T. Kurki-Suonio and the W7-X team. ASCOT simulations of 14MeV neutron rates in W7-X: effect of magnetic configuration. Plasma Physics and Controlled Fusion, 63 035022, January 2021.
Full text in Acris/Aaltodoc: https://urn.fi/URN:NBN:fi:aalto-202102262042DOI: 10.1088/1361-6587/abd981 View at publisher