Väitös teknillisen fysiikan alalta, DI Henri Kumpulainen

Väitöskirjan nimi: Validation of tungsten erosion and transport simulations in tokamaks

Tohtoriopiskelija: Henri Kumpulainen
Vastaväittäjä: Dr. Thomas Pütterich,Max Planck Institute for Plasma Physics, Saksa
Kustos: Prof. Mathias Groth, Aalto-yliopiston perustieteiden korkeakoulu, teknillisen fysiikan laitos

Magneettisen koossapidon fuusiolaitteita, kuten tokamakeja, tutkitaan mahdollisena turvallisena ja kestävänä päästöttömänä energiantuotantomenetelmänä. Fuusioreaktion ylläpitämiseen vaaditun äärimmäisen korkean lämpötilan vuoksi fuusiopolttoaine pidetään magneettikentän avulla plasmana tyhjiökammiossa. Yksi fuusiovoimalan suunnittelun suurimmista haasteista on fuusioenergian talteenotto tuhoamatta tyhjiökammion seinämäkomponentteja. 

Volframi on johtava vaihtoehto plasmaa kohtaavaksi seinämämateriaaliksi muun muassa korkean sulamispisteensä ja plasman aiheuttaman eroosion kestävyytensä vuoksi. Toisaalta fuusioplasman ytimen saastuminen volframiepäpuhtauksilla voi estää käyttökelpoisen energiantuotannon jo hyvin alhaisina volframipitoisuuksina. Siksi kyky ymmärtää ja ennustaa volframin eroosiota ja kulkeutumista plasmassa on ratkaisevan tärkeää tokamakien suunnittelun ja käytön kannalta. 

Tässä väitöskirjassa tutkitaan simulointikoodien kykyä ennustaa volframikomponenttien eroosiota ja volframin kulkeutumista fuusioplasmassa. Useita mallinnustapoja vertaillaan ja analysoidaan, ja laskentamallien pätevyyttä arvioidaan JET- ja ASDEX Upgrade -tokamakeista saatujen mittausten avulla. Tutkitut plasmat vaihtelevat monipuolisesti mitatuista matalan koossapidon plasmoista ennätyksellisen suuritehoisiin korkean koossapidon plasmoihin. 

Suurin osa volframin eroosiosta tapahtuu diverttorin kohtioiksi kutsutuissa seinämäkomponenteissa, joihin kohdistuu suurin lämpö- ja hiukkasvuo. Kaikki tutkitut simulaatiot ennustavat kuitenkin, että kohtioista irronnut volframi palautuu lähes kokonaan niiden läheisyyteen saastuttamatta ydinplasmaa. Sen sijaan volframi, jonka ennustetaan päätyvän ydinplasmaan, on pääasiassa peräisin lähempänä ydinplasmaa sijaitsevista volframikomponenteista ja aiheutuu ionien ja atomien varauksenvaihtotörmäyksissä muodostuneista atomeista. 

Väitöskirjassa osoitetaan ensimmäistä kertaa volframin eroosio- ja kulkeutumissimulaatioiden kyky ennustaa volframin tiheys JET-tokamakin ydinplasmassa tarkkuudella, joka eroaa mittauksista alle kaksinkertaisesti. Simulaatioiden ja kokeiden eroavaisuudet ovat mallinnusepätarkkuuden rajoissa. Tutkittujen laskentamallien validointi tukee niiden soveltuvuutta uusien fuusiolaitteiden ja plasmaskenaarioiden suunnitteluun, ja kunkin mallin havaitut rajoittuvuudet ohjaavat kuhunkin tarkoitukseen soveltuvan mallin valintaa.

Linkki väitöskirjan sähköiseen esittelykappaleeseen (esillä 10 päivää ennen väitöstä): https://aaltodoc.aalto.fi/doc_public/eonly/riiputus/

Yhteystiedot:

Perustieteiden korkeakoulun väitöskirjat: https://aaltodoc.aalto.fi/handle/123456789/52