First principle based integrated modelling in support of the Divertor Tokamak Test facility design

The European research roadmap towards thermonuclear fusion energy defined eight different missions to guide the long–term programme. One of these crucial challenges is the controlled power and particle exhaust from a fusion reactor. To develop and test alternative strategies to solve the exhaust problem, in Italy a new experimental device is now under construction at the ENEA Research Center in Frascati: the Divertor Tokamak Test facility (DTT). Designing a new tokamak requires concerted efforts of physicists and engineers. To reduce costs and minimise risks, a first–principle based integrated modelling as comprehensive as possible of plasma discharges is an essential tool. The focus of this PhD project was to perform the first physics–based multi–channel simulations of the main baseline operational scenarios of DTT. In these simulations state–of–art modules for transport, heating, fuelling, and magnetic equilibrium are integrated to achieve self–consistent predictions of plasma profiles and scenario parameters. All non–linear interactions between heating and plasma and between the different transport channels are also calculated. During this work, the DTT simulations have been progressively enhanced adding codes to include a growing number of aspects and refining run settings. Moreover, updates of the heating systems, magnetic equilibria, and device configuration have been included to comply with the evolving machine design. The comparison among analogous simulations with different quasi–linear transport models made us confident in the reliability of the predicted plasma profiles and allowed us to identify the weak points of the models in the various DTT operational regimes. A validation of these quasi–linear models against the gyrokinetic simulations in the specific DTT range of parameters was also performed. The prediction accuracy has been improved recursively by matching the core and SOL simulation boundary conditions to guarantee the core–edge–SOL consistency. We investigated the full performance scenario to guide the machine design, and the first plasma and intermediate scenarios to assist the commissioning phases. The full performance scenario was tested with nine different heating mix options to select the optimal power distribution amongst the three auxiliary heating systems. The compatibility of the full power scenario with the electromagnetic coil system capabilities was then verified. In addition, the DTT sawteeth and ELMs during the full power scenario were estimated for the first time. An analysis of the required fuelling system performance to sustain the high density profiles proved that only the gas puffing system would be insufficient and that deuterium pellets are needed for the DTT fuelling. Neutron rates were evaluated and found compatible with the present design of the neutron shields. This PhD modelling work led to the optimisation of the device size and of the reference heating mix, and provided reference profiles for diagnostic system design, estimates of neutron yields, calculations of fast particle losses, gas puffing and/or pellet requirements for fuelling, MHD evaluations, and other tasks.

Nel programma di ricerca europeo per la fusione termonucleare controllata sono stati definiti otto differenti obiettivi a lungo termine. Una di queste sfide cruciali riguarda lo smaltimento (exhaust) di particelle ed energia provenienti da un reattore a fusione. Per sviluppare e testare delle strategie alternative atte a risolvere il problema dell'exhaust, una nuova macchina sperimentale è attualmente in costruzione in Italia a Frascati presso il centro di ricerca ENEA: il Divertor Tokamak Test facility (DTT). Per progettare un nuovo tokamak sono richiesti sforzi congiunti di fisici ed ingegneri. Al fine di ridurre i costi e minimizzare i rischi, uno strumento essenziale è la modellizzazione integrata il più completa possibile basata su principi primi. Il presente progetto di dottorato è incentrato sullo sviluppo di simulazioni multi-canale basate sulla fisica dei principali scenari operazionali di riferimento di DTT. Modelli all'avanguardia di trasporto, riscaldamento, fuelling ed equilibrio magnetico vengono integrati in queste simulazioni per predire in modo auto-consistente profili di plasma e parametri di scenario. Vengono anche calcolate tutte le interazioni non lineari tra sistemi di riscaldamento e plasma e tra i diversi canali di trasporto. Durante questo lavoro, le simulazioni di DTT sono state progressivamente migliorate perfezionandone le impostazioni e includendo un crescente numero di aspetti grazie all'aggiunta di codici appositi. Inoltre sono stati inclusi man mano aggiornamenti dei sistemi di riscaldamento, dell'equilibrio magnetico e della configurazione della macchina per seguire l'evoluzione del progetto. Il confronto tra simulazioni analoghe con differenti modelli quasi-lineari di trasporto ci rende fiduciosi dell'affidabilità dei profili di plasma predetti e ci permette di identificare i punti deboli dei modelli nei vari regimi in cui opera DTT. Questi modelli quasi-lineari sono stati inoltre validati mediante simulazioni girocinetiche nel range di parametri di DTT. L'accuratezza delle predizioni è state migliorata in modo ricorsivo accordando le condizioni al contorno delle simulazioni di core e delle simulazioni del SOL, garantendo così una consistenza core-edge-SOL. Abbiamo studiato lo scenario a massime performance per guidare la progettazione della macchina e il primo plasma e gli scenari intermedi per assistere le fasi iniziali. Le performance dello scenario a piena potenza è stato testato con nove differenti opzioni di riscaldamento allo scopo di selezionare la distribuzione di potenza ottimale tra i tre sistemi di riscaldamento ausiliario. È stata poi verificata la compatibilità dello scenario a piena potenza con le capacità del sistema di bobine elettromagnetiche. Inoltre per la prima volta sono stati stimati, nello scenario a massima potenza, i denti di sega e gli ELMs di DTT. Un'analisi delle prestazioni richieste ai sistemi di fuelling per sostenere gli alti profili di densità ha dimostrato che sarebbe insufficiente utilizzare solamente un sistema di gas puffing e che sono necessari pellet di deuterio per alimentare DTT. Sono stati stimati i tassi di emissione neutronica, risultando compatibili con il progetto attuale delle schermature neutroniche. Questo progetto di dottorato ha portato all'ottimizzazione delle dimensioni della macchina e alla definizione delle potenze di riferimento dei sistemi di riscaldamento e ha fornito i profili di riferimento per la progettazione delle diagnostiche, la stima delle rese neutroniche, il calcolo delle perdite di particelle veloci, i requisiti del gas puffing e/o dei pellet per il fuelling, valutazioni MHD e altri lavori.