Nopeiden elektronien Monte Carlo -mallintaminen diverttorialueella

Tokamakissa reunaplasman kulkeutumista kammion seinämille voidaan rajoittaa taivuttamalla uloimmat magneettiset kenttäviivat kohti diverttorilevyjä. Fuusioplasmasta karkaavat kuumat hiukkaset kulkevat tällöin levyille nk. kuorintakerroksen läpi. Erittäin suorituskykyisessä plasmassa kuorintakerroksen törmäyksellisyys saattaa kuitenkin olla niin vähäistä, etteivät hiukkaset ehdi termalisoitumaan diverttorialueen kylmempään lämpötilaan, vaan saattavat saapua levyille kuumina. Tämän seurauksena levyjen lämpökuormat kasvavat ja diverttorialueen mittausten tulkinta saattaa vaikeutua. Lisäksi plasman uudenlainen käyttäytyminen saattaa heikentää kuorintakerroksen numeerisessa mallinnuksessa paljon käytetyn nestekuvauksen toimivuutta. Esimerkiksi törmäyksettöminä fuusioplasmasta diverttorilevyille kulkevat nopeat elektronit saattavat vaikuttaa voimakkaasti lämmönjohtumiseen ja levyjen sähköiseen potentiaaliin. Tässä työssä on tarkasteltu elektronien termalisoitumista tokamak-plasman kuorintakerroksessa. Elektronien johtokeskusten liikeratojen laskemiseen on käytetty Monte Carlo -menetelmään pohjautuvaa ASCOT-simulaatiokoodia. Diverttorialueen energiajakauman tutkimista varten erilaisia elektronijoukkoja lähetettiin alueelta, jossa kuuma fuusioplasma on lähimpänä avoimia kenttäviivoja. Coulombin törmäysten ja magneettisen epähomogenian vaikutusta elektroneihin seurattiin aina diverttorilevyille asti. Vakiona pysyvän taustaplasman parametrit saatiin SOLPS-nestekoodin laskelmista. ASCOT-koodia muokattiin työssä ottamaan huomioon diverttorialueen voimakas sähkökenttä. Kun elektronit lähetettiin hyvin läheltä kuumaa keskusplasmaa, suurin osa ehti termalisoitua ennen saapumistaan diverttorilevyille. Alkuperäisen energiajakauman kuumasta hännästä osa säilyi kuitenkin törmäyksettömänä, vieden merkittävän määrän energiaa levyille. Mitä kuumempi alkujakauma lähetettiin, sitä enemmän ylitermisiä elektroneja havaittiin levyillä. Kauempana keskustasta kuorintakerroksessa kulkeneet elektronit eivät sitä vastoin termalisoituneet juuri ollenkaan, vaan niiden energiajakauma levyillä oli hyvin samankaltainen kuin kuuma alkujakauma. Työn tuloksista voidaan todeta, että tokamakin kuorintakerroksen vähäinen törmäyksellisyys saattaa heikentää nestekuvan toimivuutta plasman numeerisessa mallinnuksessa. Diverttorin lämpökuormat voivat olla odottamattoman korkeita, ja esimerkiksi kokeelliset lämpötilamittaukset voivat antaa vääriä tuloksia diverttoriplasman energiajakauman ollessa häntävahvistunut. ASCOT-simulaatioilla saatiin hyviä suuntaa-antavia tuloksia. Työtä tullaan jatkamaan sekä kehittämällä mallinnuskoodia että muokkaamalla simulaatioita, jotta diverttorin lämpökuormille saadaan kvantitatiivisia arvioita