Összetett plazma rendszerek integrált modellezése  részletek

súgó  nyomtatás 
vissza »
 

Projekt adatai

  
azonosító
132134
típus FK
Vezető kutató Pokol Gergő
magyar cím Összetett plazma rendszerek integrált modellezése
Angol cím Integrated modelling of complex plasma systems
magyar kulcsszavak plazma, integrált modellezés, transzport, szintetikus diagnosztika, elfutó elektronok
angol kulcsszavak plasma, integrated modelling, transport, synthetic diagnostics, runaway electrons
megadott besorolás
Fizika (Műszaki és Természettudományok Kollégiuma)100 %
Ortelius tudományág: Plazmafizika
zsűri Fizika 1
Kutatóhely Nukleáris Technika Tanszék (Budapesti Műszaki és Gazdaságtudományi Egyetem)
projekt kezdete 2019-12-01
projekt vége 2023-11-30
aktuális összeg (MFt) 39.576
FTE (kutatóév egyenérték) 3.20
állapot lezárult projekt
magyar összefoglaló
A kutatás összefoglalója, célkitűzései szakemberek számára
Itt írja le a kutatás fő célkitűzéseit a témában jártas szakember számára.
A pályázat célja a magyar részvétel biztosítása az európai Integrált Modellezés (EU-IM) munkában mágnesesen összetartott fúziós plazma témakörben. Az EU-IM célja egy komplex szimulációs programcsomag összeállítása, amivel egy fúziós berendezés és benne a mágnesesen összetartott forró plazma viselkedése teljes mértékben leírható. Jelen pályázat konkrét célkitűzéseit az eddigi magyar részvétel iránya adja, de átfogó célja az EU-IM projektben a magyar részvétel intenzitását a kritikus szint fölé emelni, hogy valóban profitálni tudjunk ebből a nemzetközi projektből. Magyar támogatás hiányában a jelenlegi elaprózott részvételünk az EU-IM projektben el fog halni. A fúziós plazmák modellezésében szerzett tapasztalatot megpróbáljuk majd egy rokon területen, a napkitörések témában is alkalmazni.

Mi a kutatás alapkérdése?
Ebben a részben írja le röviden, hogy mi a kutatás segítségével megválaszolni kívánt probléma, mi a kutatás kiinduló hipotézise, milyen kérdéseket válaszolnak meg a kísérletek.
A fő kérdés, hogy hogyan lehetséges egy összetett szimulációs keretrendszerben egy olyan komplex nemlineáris rendszert megbízhatóan modellezni, mint egy fúziós plazmafizikai berendezés. Jelen pályázat vezető kutatója az EU-IM projektet felügyelő EUROfusion Work Package Code Development Project Board-jának tagja, így részt vesz a fő kérdést érintő vitákban. Az EU-IM munkához több apróbb tevékenység kapcsolódik, amik megalapozzák, hogy átfogó képet nyerjünk a keretrendszer valós működéséről. A legfontosabb kapcsolódási pontunk az elfutó elektron modellezés, aminek során különböző részletességű (analitikus, folyadék-jellegű, kinetikus) modelleket fejlesztünk, és integráljuk az EU-IM és IMAS infrastruktúrákba. Ehhez a kérdéskörhöz számos általános elméleti jellegű probléma kapcsolódik, például a részecske-hullám kölcsönhatás témakörben. A hullámok tanulmányozására alkalmas egyik legjobb diagnosztikai eszköz az atomnyalábemissziós spektroszkópia. Ilyen mérőrendszerek modellezésével egy évtizede foglalkozunk, így előnyös lenne, és az IMAS-ben előirányzott szintetikus diagnosztikát is mi építjük. Az EU-IM szimuláció működőképességének vizsgálatában a kísérletekkel történő validáció döntő jelentőségű, így a már létező kapcsolatainkat felhasználva ebben is részt kívánunk venni.

Mi a kutatás jelentősége?
Röviden írja le, milyen új perspektívát nyitnak az alapkutatásban az elért eredmények, milyen társadalmi hasznosíthatóságnak teremtik meg a tudományos alapját. Mutassa be, hogy a megpályázott kutatási területen lévő hazai és a nemzetközi versenytársaihoz képest melyek az egyediségei és erősségei a pályázatának!
A kutatás általános érvényű következtetések levonását is lehetővé teszi a komplex rendszerek modellezésére vonatkozóan, de eredményei közvetlenül is hasznosulnak a fúziós energiatermelést célzó berendezések tervezésénél és üzemeltetésénél. Az IMAS szimulációs infrastruktúra működése elengedhetetlen lesz az ITER tokamak sikeres üzemeltetéséhez. A Kepler rendszerben
történő összetett modellezés terén a fúziós plazmafizika egy kiemelkedő alkalmazás, de eredményeit egyéb tudományágak is
felhasználják, jellemzően a biológiai és környezeti jellegű komplex rendszerek modellezésében. Jelen projekt
specifikusabban hozzájárul az elfutó elektronok dinamikájának pontosabb megértéséhez, aminek többek között az
asztrofizikában van jelentősége. Integrált modellezésre a Kepler mellett több nemzetközi versenytárs is van, és az IMAS-on belül a különböző munkafolyamat motorok összehasonlítására is mód nyílik.

A kutatás összefoglalója, célkitűzései laikusok számára
Ebben a fejezetben írja le a kutatás fő célkitűzéseit alapműveltséggel rendelkező laikusok számára. Ez az összefoglaló a döntéshozók, a média, illetve az érdeklődők tájékoztatása szempontjából különösen fontos az NKFI Hivatal számára.
A mágneses plazmaösszetartást alkalmazó magfúziós berendezések modellezés szempontjából a világ legösszetettebb rendszerei közé tartoznak. Ennek két oka van. Egyrészt a lényeges fizikai folyamatok méret és időskálája sok nagyságrendet felölel, így a berendezés, és azon belül is a plazma viselkedése csak több, különböző részletességű modell egyidejű futtatásával írható le, ahol a részletesebb modellek csak kis tartományokat modelleznek, de bemenő adatokat szolgáltatnak a nagyobb méret- és időskálájú modelleknek. A modellezés második nehézsége, hogy már az adott szintű modellek is érdekes nemlineáris viselkedést mutatnak, a nemlineáris dinamika teljes jelenségkörét felmutatva a bifurkációktól kezdve a káoszon keresztül a turbulenciáig. Nem egyértelmű, hogy egy ilyen komplex rendszert milyen módszerekkel lehet megbízhatóan szimulálni, erre egy lehetséges válasz az EU Integrált Modellezés (EU-IM) által használt Kepler infrastruktúra. Jelen kutatási pályázat célja a magyar részvétel biztosítása ebben a nemzetközi kísérletben. Siker esetén a több tudományágban is hasznosítható általános modellezési tapasztalatokon kívül a felépített fizikai modellnek konkrét haszna is lenne: hozzájárulna a fúziós energiatermelés költséghatékony megvalósításához.
angol összefoglaló
Summary of the research and its aims for experts
Describe the major aims of the research for experts.
Aim of the present proposal is to secure the Hungarian participation in the European Integrated Modelling (EU-IM) of fusion plasmas effort. The goal of EU-IM and IMAS is to assemble a complex simulation package by which a fusion device can be fully described including the complex behaviour of the hot plasma inside. The specific goals of the present project are determined by the directions of the ongoing Hungarian participation, but a more general aim is to raise the degree Hungarian involvement above the critical value so that we can really enjoy the benefits of this international undertaking. Without dedicated Hungarian support, our present small contribution will inevitably shrink to zero. We will also try to apply the methodology developed for fusion plasmas for the similar field of solar flares.

What is the major research question?
Describe here briefly the problem to be solved by the research, the starting hypothesis, and the questions addressed by the experiments.
The general question is with what methods can one reliably simulate such a complex non-linear system, as a fusion plasma device, in a sophisticated simulation framework. The principal investigator of the present project is also a member of the Project Board of the EUROfusion Work Package Code Development, which is running the EU-IM project, and thus he is involved in the discussions about the aforementioned question. We also have a number of specific tasks, which enables us to obtain an overall picture of the true functioning of the framework. Our main contact point is the runaway electron simulation, in the course of which we develop models of different levels of sophistication (analytical, fluid-like, kinetic), and integrate these into the EU-IM and IMAS infrastructures. This field also presents a number of open theoretical questions, e.g. regarding the wave-particle interactions. For the studying of waves, one of the most capable diagnostic tool is the beam emission spectroscopy (BES). We have been conducting an effort in simulating such diagnostic systems for about a decade, which makes it convenient for us to also integrate BES synthetic diagnostics into the IMAS framework. Validation to experiments is a key issue in EU-IM, and so we are also planning to utilize our experience and connections to
experiments in these tasks.

What is the significance of the research?
Describe the new perspectives opened by the results achieved, including the scientific basics of potential societal applications. Please describe the unique strengths of your proposal in comparison to your domestic and international competitors in the given field.
Results of this research project may make it possible to derive general conclusions on the modelling of complex systems, however its results also have a direct application in the design and operation of devices aiming fusion energy production. Specifically, the functioning of the IMAS simulation framework is clearly necessary for the effective utilization of the ITER tokamak. The fusion application is an outstanding example of complex modelling in the Kepler system, but it is also used in other fields of sciences, like biology and environmental sciences. The present project will lead to a deeper understanding of the general runaway electron dynamics, thus also contribute to the field of astrophysics. Kepler has a number of international rivals, and in the IMAS framework, their performance can also be compared.

Summary and aims of the research for the public
Describe here the major aims of the research for an audience with average background information. This summary is especially important for NRDI Office in order to inform decision-makers, media, and others.
Nuclear fusion devices applying magnetic confinement are one of the most sophisticated machines on Earth. There are two reasons for that. First, the scale of the important physical processes span many orders of magnitude in both time and space, thus the description of the behaviour of the device and the plasma within is only possibly by simultaneously applying models of different levels of detail. More detailed simulations model only small ranges and supply inputs to the models covering larger spatial and time scales. The second difficulty of such modelling is that even the separate models of each level of detail exhibit a fascinating non-linear behaviour, showing the whole range of non-linear phenomena from bifurcations through chaos to turbulence. Finding a suitable method to simulate such a system is a demanding task, and one answer might be to use the Kepler infrastructure that is pursued by the European Integrated Modelling (EU-IM) project. Aim of the present research proposal is to secure the Hungarian participation in this international effort. Success might bring about a modelling experience that is useful in many branches of science, and it will definitely have a more direct benefit: it would help reach cost-effective fusion energy production.




 

Zárójelentés

  
kutatási eredmények (magyarul)
A projekt fő célja a magyar részvétel biztosítása volt az európai integrált modellezés munkában mágnesesen összetartott fúziós plazma témakörben. Ezt sikeresen teljesítettük az európai szinten a témát összefogó EUROfusion munkacsomag (WPCD) váratlan lezárásának ellenére. Az erőfeszítéseniket átirányítottuk az ITER-rel való intenzívebb közvetlen együttműködés irányába az ő IMAS integrált modellezés infrastruktúrájuk használatával. A hozzájárulásunk két területen volt jelentős: 1. kódfejlesztés és integrált modellezés a tokamak diszrupciókban fellépő elfutó elektronok témájában teljesítmény előrejelzések és kódvalidáció céljára; 2. kódfejlesztés és benchmarking tevékenységek atomnyaláb-emissziós spektroszkópia szintetikus diagnosztika témában diagnosztika-megvalósíthatósági tanulmányok és fizikai alapú plazmaszimulációs kódok validálásának céljára. A tanulmányainkban érintett fontosabb konkrét berendezések: Wendelstein 7-X (Németország), ASDEX-Upgrade (Németország), HSX (USA), JT-60SA (Japán) és ITER. Munkánkat támogatta egy NAÜ koordinált kutatási projekt és folytatódik különböző EUROfusion munkacsomagok és közvetlen ITER szerződések által.
kutatási eredmények (angolul)
The main goal of the project was to secure Hungarian participation in the European integrated modelling effort of magnetically confined fusion plasmas. This was achieved despite the abrupt closing of the work package of EUROfusion coordinating the European-level effort (WPCD). Our effort was shifted to a more intense direct collaboration with ITER and using their IMAS integrated modelling infrastructure. Our contribution was significant in two areas: 1. code development and integrated modelling of runaway electrons in tokamak disruptions for performance prediction and model validation; 2. code development and benchmarking of beam emission spectroscopy synthetic diagnostic tools for the purpose of diagnostic feasibility studies and validation of first-principle plasma simulations. The specific fusion experimental devices addressed in our studies included Wendelstein 7-X (Germany), ASDEX-Upgrade (Germany), HSX (USA), JT-60SA (Japan) and ITER. Our work was supported by an IAEA Coordinated Research Project and is continued within the scope of various EUROfusion work packages and direct ITER Implementation Agreements.
a zárójelentés teljes szövege https://www.otka-palyazat.hu/download.php?type=zarobeszamolo&projektid=132134
döntés eredménye
igen





 

Közleményjegyzék

  
Asztalos Örs: Modell-aided design and interpretation of beam emission spectroscopy measurements on fusion devices, BME, Fizikai Tudományok Doktori Iskola, 2022
Aradi, M. ; Réfy, D. ; Mantsinen, M. ; Futatani, S. ; Asztalos, O. ; Pokol, G.I. ; Zoletnik, S.: The Atomic Beam Probe Synthetic Diagnostic, 48th European Physical Society Conference on Plasma Physics, EPS 2022 European Physical Society (EPS) (2022) Paper: P2b.105 , 4 p., 2022
Asztalos, O. ; Balazs, P. ; Nielsen, A.H. ; Tőkési, K. ; Thrysoe, A.S. ; Vécsei, M. ; Pokol, G.I.: Possibility for neutral density measurements with beam emission spectroscopy, 48th European Physical Society Conference on Plasma Physics, EPS 2022 European Physical Society (EPS) (2022) Paper: P1a.103 , 4 p., 2022
Őrs Asztalos, Peter Balazs, Gergely Boguszlavszkij, Daniel Dunai, Manfed Von Hellermann, Anders Henry Nielsen, Stanislas Pamela, Gergő I. Pokol, WPSA Team: Feasibility of fluctuation BES measurements on JT-60SA, 32nd Symposium on Fusion Technology (SOFT 2022) | 18–23 September, Dubrovnik, Croatia, 2022
Soma Olasz, Mathias Hoppe, Tamas Szepesi, Kensaku Kamiya, Gergo Pokol: Feasibility of the EDICAM camera for runaway electron detection in JT-60SA disruptions, 32nd Symposium on Fusion Technology (SOFT 2022) | 18–23 September, Dubrovnik, Croatia, 2022
Péter Balázs, Örs Asztalos, Gábor Anda, Miklós Vécsei, Sándor Zoletnik, Santhosh Kumar, Gergő I. Pokol: Feasibility study of alkali beam emission spectroscopy on the HSX stellarator, 32nd Symposium on Fusion Technology (SOFT 2022) | 18–23 September, Dubrovnik, Croatia, 2022
Gergo Pokol, Örs Asztalos, Péter Balázs, D. Dipti, Manfred von Hellerman, Christian Hill, Oleksandr Marchuk, Martin O'Mullane, Peter Zsolt Poloskei, Jari Varje, Matej Tomes, Károly Tőkési: Outcome of the IAEA neutral beam penetration and photoemission benchmark, 32nd Symposium on Fusion Technology (SOFT 2022) | 18–23 September, Dubrovnik, Croatia, 2022
Balazs P., Asztalos O., Anda G., Vecsei M., Zoletnik S., Kumar S.T.A., Pokol G.I.: Special behavior of alkali beam emission spectroscopy in low-ion-temperature plasma, FUSION ENGINEERING AND DESIGN 193: 113650, 2023
Hill C., Dipti ., Heinola K., Dubois A., Sisourat N., Taoutioui A., Agueny H., Tőkési K., Ziaeian I., Illescas C., Jorge A., Méndez L., Kadyrov A.S., Antonio N.W., Kotian A.M., Kirchner T., Leung A.C.K., Ko J., Lee J.K., Marchuk O., O’Mullane M.G., Litherland-Smith E., Pokol G.I., Asztalos O., Balazs P., Wu Y., Jia C.C., Liu L., Wang J.G.: Atomic collisional data for neutral beam modeling in fusion plasmas, NUCLEAR FUSION 63: (12) 125001, 2023
Olasz S., Hoppe M., Szepesi T., Kamiya K., Balazs P., Pokol G.I.: Feasibility of the EDICAM camera for runaway electron detection in JT-60SA disruptions, FUSION ENGINEERING AND DESIGN 195: 113940, 2023
G.I. Pokol, S. Olasz, M. Hoppe, T. Szepesi, K. Kamiya, P. Balazs: EDICAM camera for runaway electron detection in JT-60SA disruptions, In: 5th European Conference on Plasma Diagnostics, (2023) O42-158, 2023
Jalalvand A., Asztalos O., Karacsonyi M., Pokol G.I.: Application of neural networks in beam emission spectroscopy modelling, In: IEEE (szerk.) 2023 International Joint Conference on Neural Networks (IJCNN), IEEE (2023) pp. 1-8., 2023
P. Balazs, A. Yu. Shabashov, M. Tomes, M. Schneider, M. De Bock, G. I. Pokol: Motional Stark effect modelling for CASPER, In: 5th European Conference on Plasma Diagnostics, (2023) P2-25, 2023
P. Balazs, O. Asztalos, A. Yu. Shabashov, M. v. Hellermann, M. Tomes, M. Schneider, M. De Bock, G. I. Pokol: Beam emission spectroscopy modeling on the ITER diagnostic beam, In: 15th International Symposium on Fusion Nuclear Technology (ISFNT-15), (2023) PS1-121, 2023
M. Hoppe, L. Hesslow, O.O. Embreus, L. Unnerfelt, G. Papp,I. Pusztai, T. Fülöp, O. Lexell, T. Lunt, E. Macusova,P. J. McCarthy, G. Pautasso, G. I. Pokol, G. Por, P. Svensson,the ASDEX Upgrade team and the EUROfusion MST1 team: Spatiotemporal analysis of the runaway distribution function from synchrotron images in an ASDEX Upgrade disruption, Journal of Plasma Physics, 2020
Saed J. Al Atawneh , Örs Asztalos, Borbála Szondy, Gergő I. Pokol and Károly Tőkési: Ionization Cross Sections in the Collision between Two Ground State Hydrogen Atoms at Low Energies, Atoms, vol.8, pp.31, 2020
Asztalos, O. ; Nielsen, A.H. ; Andorfi, I. ; Dunai, D. ; Zoletnik, S. ; Refy, D.I. ; Tál, B. ; Birkenmeier, G. ; Coelho, R. ; Pokol, G.I. et al.: Study of filament dynamics using synthetic and experimental BES diagnostics, 47th EPS Conference on Plasma Physics, EPS 2021 Mulhouse, Franciaország : European Physical Society (EPS) pp. 717-720. , 4 p., 2021
M., Hoppe ; L., Hesslow ; O., Embreus ; L., Unnerfelt ; G., Papp ; I., Pusztai ; T., Fülöp ; O., Lexell ; T., Lunt ; E., Macusova et al.: Spatiotemporal analysis of the runaway distribution function from synchrotron images in an ASDEX pgrade disruption, Journal of Plasma Physics 87 (1), 2021
Olasz, S ✉ ; Embreus, O ; Hoppe, M ; Aradi, M ; Por, D ; Jonsson, T ; Yadikin, D ; Pokol, GI ; EU-IM Team: Validity of models for Dreicer generation of runaway electrons in dynamic scenarios, NUCLEAR FUSION 61 : 6 Paper: 066010 , 11 p., 2021
Olasz, S. ; Aradi, M. ; Hoppe, M. ; Embreus, O. ; Papp, G. ; Johnsson, T. ; Ferreira, J. ; Coster, D. ; Strand, P. ; Yadikin, D. et al.: Runaway electron modelling in the EU-IM framework, 47th EPS Conference on Plasma Physics, EPS 2021 Mulhouse, Franciaország : European Physical Society (EPS) pp. 1156-1159. , 4 p., 2021
Pokol, G.I. ; Asztalos, O. ; Balázs, P. ; Szondy, B. ; Von Hellerman, M. ; Hill, C. ; Marchuk, O. ; O'Mullane, M. ; Poloskei, P.Zs. ; Varje, J. et al.: Neutral beam penetration and photoemission benchmark, 47th EPS Conference on Plasma Physics, EPS 2021 Mulhouse, Franciaország : European Physical Society (EPS) pp. 157-160. , 4 p., 2021
Vécsei, M. ; Anda, G. ; Asztalos, O. ; Brunner, K.J. ; Dunai, D. ; Hirsch, M. ; Knauer, J. ; Hegedus, S. ; Nagy, D. ; Otte, M. et al.: Analysis of divertor island properties at Wendelstein 7-X using Alkali beam emission spectroscopy, 47th EPS Conference on Plasma Physics, EPS 2021 Mulhouse, Franciaország : European Physical Society (EPS) pp. 960-963. , 4 p., 2021
Vecsei, M ; Anda, G ; Asztalos, O ; Dunai, D ; Hegedus, S ; Nagy, D ; Otte, M ; Pokol, GI ; Zoletnik, S ; W7-X Team: Swift evaluation of electron density profiles obtained by the alkali beam emission spectroscopy technique using linearized reconstruction, REVIEW OF SCIENTIFIC INSTRUMENTS 92 : 11 Paper: 113501 , 12 p., 2021



vissza »