Participarea Romaniei la EUROfusion WPJET1 si cercetari complementare

In acord cu documentele ce statueaza cercetarea stiintifica privind fuziunea nucleara in cadrul programului Orizont 2020, reactorul de tip tokamak JET (Joint European Torus) de la Culham, Marea Britanie ocupa un rol central. Campaniile experimentale desfasurate aici sunt orientate spre solutionarea unor probleme de fizica esentiale pentru ITER (International Thermonuclear Experimental Reactor). Aceste campanii vor include in final un set cuprinzator de experimente de tip DT (deuteriu-tritiu) menite sa demonstreze compatibilitatea dintre regimurile de operare inductive cu materialele peretelui ILW (ITER like wall).

Participarea la campaniile experimentale C33-36 de la JET

Obiective, Etape:

Participarea la experimentele:

Participarea cercetatorilor romani adduce competente in: diagnostic plasmei (spectrometrie gama, tomografie de emisie gama, neutron, HXR, bolometrie, imagistica cu camera ultra-rapide si imagistica de infra-rosu), diagnostica acoperirilor metalice ale primului perete, dezvolaterea de modele teoretice, interpretari.

Parteneri externi:

Rezultatele obtinute:

Participarea Romaniei la experimentele din campaniile C33-34 a fost legata de experimente legate de fizica ionilor rapizi si de diagnostica plasmei cu camere video si de infra-rosu. Au fost realizate masuratori de spectrometrie gamma si s-au realizat analize tomografice pentru determinarea distributiei emisivitatii gama in pasma de fuziune. Analizele tomografice au furnizat informatii privind distributia ionilor rapizi in plasma si de asemenea au permis determinarea evolutiei temporale si spatiale a RE (runaway electrons). A fost de asemenea finalizat si testat un pachet de metode de procesare a imaginilor pentru diagnoza plasmei: metode de identificare a aparitiei fenomenelor de tip MARFE (Multifaceted Asymmetric Radiation from the Edge) pentru predictia disruptiilor in plasma, metode de identificare si analiza a depunerilor de suspensii pe peretii reactorului si metode de corectiei a rotatiei imaginilor pentru camerele video si infrarosu din sistemul de diagnostica de la JET. In cadrul participarii la experimentele din campania C35-36 si in cadrul campaniei de hidrogen C37, in domeniul diagnosticii plasmei de fuziune, s-au realizat analize de tomografie de emisie gama si de neutroni pentru determinarea distributiei ionilor rapizi in plasma si pentru determinarea evolutiei temporale si spatiale a RE (runaway electrons).

Participarea cuprinde si o puternica componenta teoretica, ce tine cont de faptul ca este esential pentru reactor ca imaginea fizica a evolutiei plasmei sa fie corecta, ceea ce impune modele cu caracter predictiv. Transportul si acumularea impuritatilor in plasma este o problema importanta pentru experimentele M15-01. S-au adus contributii la modelarea transportului turbulent (difuziv si prin viteza medie) pentru impuritati cu masa mica si mare. S-a aratat ca gradientul amplitudinii turbulentei poate genera o viteza radial medie. Scenariile hibride investigate intr-o serie de experimente in cadrul M15-02 sunt importante datorita posibilitatii de a se obtine o mai buna stabilitate si performanta. Particularitatea regimului hibrid consta in profilele de densitate si de curent care sunt plate sau cu minime centrale. Am gasit elemente fizice noi care ar putea fi importante pentru aceste experimente: 1) efectul influxului de neutri (incusiv implantare de ioni de Ne) ca sursa de rotatie a plasmei ce poate influenta confinarea; 2) o relatie intre rotatia forfecata, densitatea de curent si densitatea de particule ce reprezinta un invariant MHD. Aceasta arata ca rotatia poloidala poate conduce la profile de curent cu minime centrale.

Publicatii:

Articole:

[1] T. Craciunescu, A. Murari, Geodesic distance on Gaussian manifolds for the robust identification of chaotic systems, Nonlinear Dynamics 86—1 (2016) 677–693.

[2] F. Spineanu and M. Vlad, Effect of density changes on tokamak plasma confinement, electronic preprint http://arxiv.org/pdf/1502.06093.pdf (submitted)

[3] A.Murari, T.Craciunescu, E.Peluso, M.Gelfusa, M.Lungaroni, L.Garzotti, D.Frigione, P.Gaudio, How to Assess the Efficiency of Synchronization Experiments in Tokamaks, submitted to Nuclear Fusion.

[4] S.E.Sharapov , T.Hellsten , V.G.Kiptily , T.Craciunescu , J.Eriksson , M.Fitzgerald , J.-B.Girardo , V.Goloborod’ko , C.Hellesen , A.Hjalmarsson , T.Johnson , Y.Kazakov , T.Koskela , M.Mantsinen , I.Monakhov , F.Nabais, M.Nocente, C. Perez von Thun, F.Rimini, M.Santala , M.Schneider , M.Tardocchi, M.Tsalas, V.Yavorskij, V.Zoita, Fusion product studies via fast ion D-D and D- 3He fusion on JET, submitted to Nuclear Fusion.

[5] J.C. Flanagan, M. Sertoli, M. Bacharis, G. F. Matthews, P. C. de Vries,A. Widdowson,I. H. Coffey, G. Arnoux, B. Sieglin, S. Brezinsek,J.W. Coenen, S. Marsen, T. Craciunescu, A. Murari, D. Harting, A. Cackett,E. Hodille, Characterising dust in JET with the newITER-like wall, Plasma Phys. Control. Fusion 57 (2015) 014037 (11pp), doi:10.1088/0741-3335/57/1/014037.

[6] T. Craciunescu, A. Murari, M. Gelfusa, I. Tiseanu, V. Zoita, Overview of image processing tools to extract physical information from JET videos, Plasma Phys. Control. Fusion 56 (2014) 114006 (13pp), doi:10.1088/0741-3335/56/11/114006.

[7] T. Craciunescu, A. Murari, B. Sieglin, G. Matthews, An original method for spot detection and analysis for large surveys of videos in JET , IEEE Trans. Plasma Sci. 42 (2014) 1358–66, doi: 10.1109/TPS.2014.2311463.

[8] F. Spineanu, M. Vlad, On the late phase of relaxation of two-dimensional fluids: turbulence of unitons, Focus on Turbulence in Astrophysical and Laboratory Plasmas, New Journal of Physics 19 (2017) 025004.

[9] F. Spineanu, M. Vlad, A MHD invariant with effects on the confinement regimes in Tokamak, Nuclear Fusion 56 (2016) 092005

Conferinte

[1] Yevgen Kazakov1, J. Ongena, D. Van Eester, R. Bilato, T. Craciunescu, R. Dumont, V. Kiptily, E. Lerche, M. Mantsinen, A. Messiaen, M. Nocente, S. Sharapov, J. Wright, S. Wukitch, Applications of Three-Ion ICRF Scenarios for Full-Field ITER Operation, Theory of fusion plasmas - Joint Varenna-Lausanne International Workshop, Varenna, Italy, Villa Monastero, Varenna, Italy August 29 – September 2, 2016.

[2] Y. Kazakov ,S. Wukitch, J. Wright, E. Edlund, Y. Lin, M. Porkolab, E.F. Jaeger, J. Ongena, E. Lerche, D. Van Eester, M. Nocente, V. Kiptily, T. Craciunescu, S. Sharapov, Y. Baranov, J. Bielecki, R. Bilato, V. Bobkov, A. Cardinali, C. Castaldo, K. Crombé, A. Czarnecka, R. Dumont, P. Dumortier, F. Durodie, J. Eriksson, J. Faustin, M. Fitzgerald, D. Gallart, L. Giacomelli, J. Graves, Ph. Jacquet, N. Krawczy, M. Lennholm, T. Loarer, M. Mantsinen, A. Messiaen, I. Monakhov, F. Nave, T. Johnson, D. Valcarcel, H. Weisen, M. Schneider, Plasma heating and generation of energetic ions with novel three-ion ICRF scenarios on Alcator C-Mod and JET tokamak facilities, 58th Annual Meeting of the APS Division of Plasma Physics, San Jose, California, USA October 31 - November 4, 2016.

[3] S.E.Sharapov, T.Hellsten, V.G.Kiptily, T.Craciunescu, J.Eriksson, M.Fitzgerald, J.-B.Girardo, V.Goloborod’ko6, A.Hjalmarsson, A.S.Jacobsen, T.Johnson, Y.Kazakov, T.Koskela, M.Mantsinen, I.Monakhov, F.Nabais, M.Nocente, C. Perez von Thun, F.Rimini, M.Salewski, M.Santala, M.Schneider, M.Tardocchi, M.Tsalas, V.Yavorskij, V.Zoita, Fast Ion D-D and D-3He Fusion on JET, , Fourteenth IAEA Technical Meeting (TM) on Energetic Particles in Magnetic Confinement Systems, 01 - 04 Septermber, 2015 IAEA Headquarters, Vienna, Austria

[4] F. Spineanu and M. Vlad, Balance of magnetic stochasticity and plasma rotation with effect on instabilities, 597th Wilhelm and Else Heraeus Seminar on “Stochasticity in fusion plasmas”, September 10-12, 2015, Bad Honnef, Germany

[5] M. Vlad and F. Spineanu, Stochastic and quasi-coherent aspects in test particle statistics and their effects on turbulence evolution, 597th Wilhelm and Else Heraeus Seminar on “Stochasticity in fusion plasmas”, September 10-12, 2015, Bad Honnef, Germany.

[6] T. Craciunescu, A. Murari, M. Gelfusa, I. Tiseanu, V. Zoita, Advanced Methods for Image Registration Applied to JET Videos, 28th Symposium on Fusion Technology (SOFT 2014), San Sebastián, Spain, from 29 Sept.- 3rd Oct. 2014.

Persoane de contact: T. Craciunescu (teddy.craciunescu@gmail.com), M. Vlad (madalina.olimpia.vlad@gmail.com), F. Spineanu (florin.spineanu@gmail.com), E. Grigore (edigrig@infim.ro), C. Ruset (ruset@infim.ro).


Determinarea emisivitatii la 4 µm a probelor de CFC acoperite cu straturi de W

Emisivitatea este raportul dintre intensitatea radiatiei emisa de suprafata de interes si cea data de corpul negru dupa extragerea fondului, cand ambele sunt la aceeasi temperatura. Utilizarea unei valori adecvate a acestei marimi este foarte importanta pentru masurarea corecta de catre sistemele de diagnoza a temperaturii primului perete in cazul echipamentelor de fuziune. In cadrul proiectului a fost elaborat un concept si a fost construit un experiment privind determinarea emisivitatii depunerilor de wolfram prin experimente realizate in afara reactorului. Deoarece peretele de tip ITER (ILW) de la JET contine aproxinativ 1300 de placi de CFC (Carbon Fiber Composite) acoperite cu straturi de W de 10 m si 20 m determinarea emisivitatii pentru aceste straturi este importanta pentru interpretarea rezultatelor asociate cu temperatura suprafetelor obtinute in timpul campaniilor JET.

Obiective:

Determinarea emisivitatii la 4 µm a straturilor de W depuse pe substrat de CFC (Carbon Fibre Composite)

Etape si activitati:

In cadrul proiectului au fost prevazute urmatoarele activitati:

Parteneri externi: JET Culham Science Center, Marea Britanie

Rezultate obtinute:

In cadrul proiectului a fost realizat, intr-o prima faza montajul experimental de masurare a emisivitatii la 4 µm. Montajul experimental a inclus atat sistemul optic de achizitie a radiatiei emise cat si partea mecanica necesara deplasarii opticii de masura. Pentru masurarea intensitatii radiatiei emise s-a utilizat un detector IR (PDA10JT HgCdTe) racit la -30 0C furnizat de firma Thorlabs. Optica de infra-rosu a inclus pe langa detector, o lentila din CaF2, un filtru pentru lungimea de unda 4 ± 0.25 μm, sistemul de focalizare, un chopper si fereastra de safir (ø65x5 mm). Sistemul optic a fost montat pe un suport care la randul lui a fost fixat pe o masuta X-Y comandata de doua motoare pas cu pas. Experimentele au vizat in principal determinarea emisivitatii straturilor de W de 10 µm si 20 µm depuse pe elemente din CFC (Carbron Fibre Composite) si FGG (Fine Grain Grafite). Inregistrarea semnalului de la detectorul IR precum si comanda motoarelor pas cu pas au fost integrate intr-o aplicatie MATLAB dezvoltata special pentru masurarea emisivitatii. Determinarile de emisivitate s-au facut intr-o plaja de temperatura cuprinsa intre 4000 C si 12000 C.

In cazul experimentelor nu s-a constatat o influenta semnificativa a temperaturii asupra valorilor emisivitatii, insa emisivitatea straturilor de W depuse pe CFC este influentata semnificativ de structura poroasa a CFC-ului, fapt care conduce la o dispersie mare a valorilor. Acest fenomen nu apare in cazul stratului de W depus pe proba de grafit cu graunti fini. In cazul straturilor de W de 10 µm depuse pe CFC valorile de emisivitate masurate la 700 0C au indicat valori de 0.1,8 in timp ce straturile de 20 µm au indicat valori de 0.23. In cazul straturilor de W de 10 µm depuse pe FGG emisivitatea, la aceeasi temperatura (700 0C), a fost de 0.147. Pentru W masiv emisivitatea a fost de 0.10 iar pentru Be, emisivitatea la aceeasi temperatura a fost de 0.28.

Persoane de contact:

E. Grigore (edigrig@infim.ro), C. Ruset (ruset@infim.ro).


Contributii la intelegerea comportarii specifice a plasmei JET in conditiile determinate de noul perete ILW si dezvoltarea de metode de analiza si interpretare a datelor experimentale

Scopul general al proiectului este sa aduca o contributie la intelegerea comportarii diferite a plasmei JET dupa instalarea peretelui de tip ITER si sa dezvolte metode de analiza si de interpretare a experimentelor. Proiectul abordeaza doua aspecte importante: acumularea impuritatilor de W in plasma si tehnici de atenuare a modurilor localizate la marginea plasmei (ELM).

Obiective:

  1. Analiza detaliata a transportului impuritatilor grele in plasma turbulenta
    Noutatea abordarii consta in includerea unui concept nou: drifturile ascunse. Importanta mecanismului de transport produs de drifturile ascunse va fi evaluata in cadrul unui model complex care include driftul de polarizare, ciocnirile ionilor, miscarea lor paralela si rotatia plasmei. Scopul acestor cercetari este determinarea regimurilor de transport ale impuritatilor de W in modurile L si H (confinare slaba si inalta) si identificarea mecanismelor de impiedicare a acumularii lor in centrul plasmei. Se va dezvolta un cod pentru determinarea coeficientilor de transport in functie de caracteristicile turbulentei. Acesta va deveni un instrument de analiza a datelor experimentale.
  2. Determinarea relatiilor cauzale in analiza seriilor temporale
    Aceasta este o problema dificila mai ales in cazul sistemelor complexe neliniare afectate de un nivel semnificativ de zgomot. O noua abordare pentru analiza acestui tip de sisteme este propusa in cadrul proiectului. Ea se bazeaza pe un nou concept de distanta din geometria informationala. Metode bazate pe i) analiza topologica a recurentelor, un instrument puternic pentru studiul proprietatilor sistemelor complexe si eventual haotice, ii) functia de verosimilitate a sincrinizarii proceselor si iii) inferenta relatiilor cauzale pe baza modelelor cu ecuatii structurale vor fi de asemenea dezvoltate in cadrul proiectului pentru analiza seriilor temporale experimentale de la JET.

Etape si activitati:

Etapa 1

Etapa 2

Etapa 3

Rezultate obtinute:

Primul stadiu al Obiectivului 1 consta din evaluarea efectelor driftului de polarizare. A fost dezvoltat un model complex care include driftul ExB cu o descriere realista a spectrului turbulentei, miscarea paralela, viteza diamagnetica si drifturile magnetice. Am dezvoltat un cod Fortran bazat metoda semi-analitica DTM in varianta rapida pentru determinarea proprietatilor transportului turbulent al impuritatilor grele. Am aratat ca driftul de polarizare determina efecte neliniare complexe care constau intr-o crestere semnificativa a coeficientului de difuzie (pana la dublare) si in generarea unui drift mediu radial. Conditia pentru aparitia acestor efecte este existenta capturii vorticale a triectoriilor care este specifica transportului neliniar. In cazul transportului cuasi-liniar, influenta driftului de polarizare este neglijabila chiar si pentru ioni cu mase foarte mari cum este W. Importantei driftului de polarizare pentru transportul ionilor W este determinata de tipul de transport. Am dezvoltat un studiu complex care are ca scop intelegerea acestei probleme fundamentale [2]. Primele rezultate arata ca evolutia turbulentei de drift poate conduce la ambele tipuri de transport in functie de valoarea parametrului ce apare in rata de crestere.

Determinarea proprietatilor seriilor temporale si eventuala identificare a caracterului lor haotic se poate face prin diverse metode care implica definirea si utilizarea unei distante. Metrica adoptata poate avea o influenta semnificativa asupra rezultatelor, in special in cazul in care datele experimentale sunt afectate de zgomot. Prezenta lucrare [1] propune adoptarea unei metrici care a fost dezvoltata special pentru tratarea datelor experimentale afectate de zgomot Guassian, anume distanta geodesica pe varietati Gaussiene (DGVG). O serie cuprinzatoare de teste numerice prezentate aici dovedesc faptul ca utilizarea DGVG produce rezultate superioare cazului in care se foloseste distanta Euclidiana (abordarea uzuala in majoritatea aplicatiilor). Rezultatele sunt importante pentru analiza seriilor temporale masurate in tokamak in vederea determinarii sincronizarii unor evenimente precum injectarea de pellet-uri pentru controlul instabilitatilor ELM sau controlul fenimenelor de relaxare de tip sawtooth prin modularea ICRH.

Publicatii:

Articole:

[1] T. Craciunescu, A. Murari, Geodesic distance on Gaussian manifolds for the robust identification of chaotic systems, Nonlinear Dynamics 86—1 (2016) 677–693.

[2] M. Vlad, F. Spineanu, Randon and quasi-coherent aspects in particle motion and their effects on transport and turbulence evolution, Focus on Turbulence in Astrophysical and Laboratory Plasmas, New Journal of Physics 19 (2017) 025014

Persoane de contact:

T. Craciunescu (teddy.craciunescu@gmail.com), M. Vlad (madalina.olimpia.vlad@gmail.com), F. Spineanu (florin.spineanu@gmail.com).