Systems code models for stellarator fusion power plants and application to stellarator optimisation

Autor: Lion, Jorrit
Jazyk: angličtina
Rok vydání: 2023
Předmět:
DOI: 10.14279/depositonce-18188
Popis: Stellarators are attractive candidates for commercial fusion power plants: they inherently operate in steady-state and, unlike tokamaks, do not require a plasma current to obtain magnetic confinement, which can lead to current-driven disruptions. The concept of stellarators was first proposed over 70 years ago and now gains renewed interest as a candidate for commercial fusion power plants, mainly caused by the successful operation of the large stellarator experiment ‘Wendelstein 7-X’ [1]. Advances in stellarator optimisation now make it possible to suggest configurations that meet nearly all necessary criteria for a fusion reactor from a physics point of view. In addition, it is possible to find stellarator configurations that are more compact, and thus more economical, and have less turbulent activity than previously suggested configurations. Systems code studies are holistic tools, which are crucial to extrapolate a stellarator to a consistent fusion reactor design point, which matches with physics, engineering and economical constraints. By modelling all relevant properties and boundary conditions, using reduced and computationally fast models, it is possible to quantify these design points and also learn about sensitivities, correlations and relevant trade-offs. However, so far, systems-code studies have mainly been employed for the tokamak concept only, as part of the European tokamak DEMO activity. Because stellarators are not bound to toroidal symmetry, as tokamaks are, they allow for drastically different configurations, especially with respect to the plasma shape and the non-planar coil geometry. To model this vast design space, it is required to develop systems code models, that allow to model a large space of different stellarator configurations within a single code framework. A systems code for such general stellarators did not exist before this work. In this work, a new set of stellarator systems code models is developed and implemented in the European fusion reactor systems code ‘Process’. With these modifications, it is possible to model generic modular stellarators, requiring only the plasma shape and the central coil filaments of the non-planar coils as inputs. This work bases on previous contributions [2], which implemented models for one specific stellarator configuration, namely the Helias 5 stellarator configuration, based on parameters of a respective engineering study [3]. The dependency to such an engineering study was resolved in this work, and a set of models was developed and implemented that are applicable to generic modular stellarators. The new stellarator version of Process is used then to for the first time find a cost-optimised design point of a Helias 5 stellarator, using differently aggressive technology assumptions, find a set of design points for a high field, intermediate-step, prototype stellarator, given uncertainties on certain input parameters, evaluate the relative importance of common targets in stellarator optimization quantitatively in terms of their economical relevance, and lastly demonstrate the usage of Process as a penalty function for different stellarator coil-sets and its possible application for stellarator coil optimisation. The thesis contributes to the area of stellarator systems code studies for fusion power plants and develops models that take the fact into account that there is a growing number of new stellarator configurations available, made possible by recent optimisation advancements.
Stellaratoren sind attraktive Kandidaten für kommerzielle Fusionsreaktoren: Im Gegensatz zu Tokamaks operieren Stellaratoren intrinsisch kontinuierlich, und sind, um magnetischen Einschluss zu erreichen, nicht auf einen internen Plasmastrom angewiesen, der zu stromgetriebenen Disruptionen führen kann. Das stellarator Konzept wurde bereits vor fast 70 Jahre vorgeschlagen und erlebt vor allem durch die erfolgreiche Inbetriebnahme des Stellarator-Reaktor-Prototypen ‘Wendelstein 7-X’ [1] erneute Aufmerksamkeit als Kandidat für einen kommerziellen Fusionsreaktor. Weitere Fortschritte in den letzten Jahren in der Optimierung von Stellaratoren ermöglichen es nun, Stellarator-Konfigurationen vorzuschlagen, die fast alle für einen Reaktor notwendigen Kriterien erfüllen. Zudem ist es nun möglich, kompakte Stellaratoren zu finden und Konfigurationen mit reduzierter Turbulenz, die momentan maßgeblich den Einschluss in Wendelstein 7-X limitiert. System-Code-Studien spielen für die Extrapolation zu einem Reaktor und eine entsprechende Stellarator-Reaktoroptimierung eine wichtige Rolle: Durch das vollständige Modellieren aller relevanten Eigenschaften und Randbedinungen mithilfe reduzierter Modelle in einem integrierten Computer-Code, wird es ermöglicht, Erkenntnisse über Reaktor Design Punkte, Sensitivitäten, Korrelationen, relevante Kompromisse und über ökonomische Eigenschaften zu erlangen. System-Codes haben den Vorteil, dass sie physikalische, technologische und ökonomische Aspekte modellieren und somit Design Punkte finden können, die mit allen drei Aspekten übereinstimmen. Solche System-Code-Studien werden momentan vor allem für die Reaktor Extrapolation von Tokamaks verwendet, zum Beispiel als Teil der europäischen DEMO Aktivität, die das Konzept eines Tokamak-Reaktors verfolgt. Da Stellaratoren durch ihre niedrigere axiale Symmetrie weitaus verschiedenere Designlösungen ermöglichen, vor allem im Bezug auf Plasmaform und auf Spulengeometrie, ist es vonnöten, System-Code-Modelle zu entwickeln, die eine große Anzahl möglichst generischer Stellarator Konfigurationen modellieren können. Solch ein Satz von Modellen existierte bis zum Zeitpunkt der vorliegenden Arbeit nicht. In dieser Arbeit wird eine Reihe von System-Code-Modellen entwickelt und in den europäischen Fusions-Reaktor System-Code „Process“ implementiert, der es anschließend ermöglicht, allgemeine, modulare Stellaratoren zu modellieren, auf Basis der letzten Flussfläche des Stellarator-Plasmas und auf Basis des entsprechenden Spulensets, das in der Regel durch nichtplanare zentrale Spulenfilamente beschrieben wird. Diese Arbeit knüpft an vorige Arbeiten an [2], die einen reduzierten Satz an Modellen für eine bestimmte Stellarator Konfiguration, die Helias 5 Konfiguration, auf Basis einer separaten Studie [3] implementiert hatten. Die Abhängigkeit von solch einer Studie wurde in dieser Arbeit gelöst, sowie ein Satz von Modellen entwickelt und implementiert, die auf generische Stellaratoren anwendbar ist. Anschließend an die Beschreibung der in Process implementierten Modelle wird Process, nun für generische modulare Stellaratoren geignet, eingesetzt um zum ersten Mal einen Kosten-optimierten Designpunkt eines optimierten Helias 5 stellarators vorzuschlagen mit verschieden aggressiven Technologie-Annahmen, einen Satz an Designpunkten eines Hoch-Feld Prototyp-Stellarators vorzuschlagen, als Zwischenschritt zu einem Reaktor, gegeben einiger Unsicherheiten auf relevante Anfangsparameter, die relative Wichtigkeit von Optimierungs-Zielen in der Stellarator Optimierung quantitativ zu evaluieren, und zuletzt den Einsatz von Process als Kostenfunktion für verschiedene Stellarator Spulensätze zu demonstrieren und dessen möglichen Einsatz für Stellarator Spulen Optimierung zu zeigen. Die vorliegende Arbeit trägt zu der System-Studien Modellierung von Stellaratoren als Fusionskraftwerke bei. Die Art der implementierten Modelle und die Resultate in dieser Arbeit berücksichtigen den Trend einer stark wachsenden Anzahl an verfügbaren Stellarator-Konfigurationen, die durch Fortschritte in der Stellarator-Optimierung ermöglicht werden.
Databáze: OpenAIRE
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