Väitös teknillisen fysiikan alalta, DI Paavo Niskala

Diplomi-insinööri Paavo Niskala väittelee perjantaina 5.10.2018 klo 12 Aalto-yliopiston perustieteiden korkeakoulussa, salissa M1, Otakaari 1, Espoo. Väitöskirjassa "Simulations of turbulence-flow interplay in tokamak plasmas – Gyrokinetic studies of isotope effect on turbulent transport and flows in Ohmic discharges" tutkitaan polttoainehiukkasten massan vaikutusta plasmaturbulenssiin ja -virtauksiin fuusioreaktoreissa. Tutkimuksessa käytetään sekä laskennallisia työkaluja että kokeellisia mittauksia kompaktista pietarilaisesta koereaktorista.

Tokamak-fuusioreaktorit toimivat tehokkaammin, kun polttoaineena käytetään tavallisen vedyn sijaan sen raskaampia sisaruksia deuteriumia ja tritiumia. Kokeellisesti todettu ilmiö kyetään toistamaan ensimmäistä kertaa laskennallisesti tässä väitöskirjassa. Simulaatioiden perusteella parantunut suorituskyky johtuu muutoksista fuusioplasman pienen mittakaavan värähtelyissä.

Fuusioreaktorin tavoitteena on tuottaa puhdasta ja turvallista energiaa yhdistämällä vedyn kaltaisia kevyitä alkuaineita. Polttoaine muuttuu plasmaksi, kun se kuumennetaan lämpöydinfuusion vaatimaan jopa 150 miljoonan asteen lämpötilaan. Reaktorin valtavat lämpötilaerot puolestaan ruokkivat turbulenssia, joka aiheuttaa merkittäviä polttoaine- ja lämpöhäviöitä. Fuusioenergian valjastaminen sähköntuotantoon vaatii näiden häviöiden minimoimista. Monimutkaiset vuorovaikutukset turbulenssin ja plasmavirtausten välillä sekä suuret mittakaavavaihtelut tekevät ongelmasta äärimmäisen haastavan.

Tässä väitöskirjassa tutkittiin laskennallisesti ja kokeellisesti turbulenssin ja virtausten vuorovaikutusta kompaktissa pietarilaisessa tokamak-koereaktorissa. Simulaatiot suoritettiin Aalto-yliopistossa kehitetyllä ohjelmistolla ja kotimaisella Sisu-supertietokoneella. Simulaatiot näyttävät, että häviöt pienenevät deuteriumplasmassa samalla tavalla kuin kokeissa, kun pienen mittakaavan värähtelyt heikkenevät. Lisäksi turbulenssi ja värähtelevät virtaukset vuorovaikuttavat keskenään vahvemmin raskaammalla polttoaineella. Analyysin perusteella massavaikutus riippuu erityisesti vallitsevasta turbulenssityypistä.

Vastaväittäjä: Research Professor Carlos Hidalgo, Centro de Investigaciones Energéticas, Medioambientales y Tecnológicas (CIEMAT), Espanja

Kustos: professori Mathias Groth, Aalto-yliopiston perustieteiden korkeakoulu, teknillisen fysiikan laitos