Ill-posed inverse problems in the controlled nuclear fusion neutron measurements
| dc.contributor.advisor | Bielecki, Jakub | |
| dc.contributor.advisor | Łaszyńska, Ewa | |
| dc.contributor.author | Mikszuta-Michalik, Katarzyna | |
| dc.contributor.reviewer | Moskal, Paweł | |
| dc.contributor.reviewer | Pawelec, Ewa | |
| dc.contributor.reviewer | Słabkowska, Katarzyna | |
| dc.date.accessioned | 2025-02-20T09:38:50Z | |
| dc.date.available | 2025-02-20T09:38:50Z | |
| dc.date.issued | 2023 | |
| dc.description | This thesis has been published as part of the international project co-financed by the Polish Ministry of Science and Higher Education within the programme called 'PMW' for 2021 under the contract No 5220/HEU-Euratom/2022/2. This work has been carried out within the framework of the EUROfusion Consortium, funded by the European Union via the Euratom Research and Training Programme (Grant Agreement No 101052200 — EUROfusion). Views and opinions expressed are however those of the author(s) only and do not necessarily reflect those of the European Union or the European Commission. Neither the European Union nor the European Commission can be held responsible for them. The work leading to this thesis has been funded partially by Fusion for Energy under the Contract F4E-FPA-327. This publication reflects the views only of the author and Fusion for Energy cannot be held responsible for any use which may be made of the information contained therein. This thesis has been published as part of the international project called 'PMW'. co-financed by the Polish Ministry of Science and Higher Education within the framework of the scientific financial resources for 2020-2024 under the contract no 5111/ITER/2020/0 | |
| dc.description.abstract | Fuzja termojądrowa to obiecująca reakcja jądrowa dla bezpiecznej i przyjaznej dla środowiska produkcji energii. Zrozumienie fizyki plazmy jest kluczowe dla opracowania reaktora termojądrowego, który zostanie wykorzystany do budowy komercyjnej elektrowni. Głównymi produktami fuzji jądrowej są neutrony, które wydostają się z plazmy bez interakcji dzięki czemu niosą niezaburzoną informację na temat swojego źródła. Celem pracy jest interpretacja rozkładu przestrzennego oraz energetycznego emisji neutronów. Rozkłady te są wynikiem rozwiązania źle postawionych problemów odwrotnych, które pozwalają na zrozumienie zjawisk zachodzących w plazmie. W rozprawie przedstawiono opracowane procedury matematyczne użyte do rozwiązywania problemów odwrotnych związanych z pomiarem diagnostykami neutronowymi na urządzeniach fuzyjnych. Algorytmy oparte na różnych metodach zostały wykorzystane do rekonstrukcji przestrzennego rozkładu emisyjności oraz widma energetycznego neutronów. Podstawowym przedmiotem rozprawy jest rekonstrukcja rozkładu emisyjności neutronów użyta jako narzędzie do badania temperatury i gęstości plazmy lub oddziaływań oraz transportu jonów podczas pracy tokamaka. Autorka rozprawy zaimplementowała kod komputerowy oparty na regularyzacji poprzez minimalizację Informacji Fishera (MFR) do tomografii neutronowej, która w rozprawie definiowana jest jako rekonstrukcja dwu wymiarowego rozkładu wielkości fizycznej. Opracowana metoda została wykorzystana do analizy danych syntetycznych w przypadku tokamaka ITER oraz eksperymentalnych dla tokamaka JET. Rekonstrukcja tomograficzna profili emisji neutronów umożliwia badanie temperatury jonów paliwa i kontrolę stabilności plazmy. Algorytm MFR został wykorzystany do optymalizacji architektury i wyboru rodzaju detektorów Radialnej Kamery Neutronowej (RNC – ang. Radial Neutron Camera) projektowanej dla tokamaka ITER. Analiza wyników otrzymanych z symulacji przy różnych trybach pracy tokamaka wykazała, że zmiana w architekturze kamery nie spowoduje znaczących zmian w jakości rekonstrukcji emisyjności neutronów w plazmie. Zastosowanie dodatkowego ograniczenia w postaci całkowitej emisji neutronów zmierzonej za pomocą niezależnego monitora neutronów znacząco poprawia wyniki tomografii. Dodatkowo zbadano wpływ zaburzeń w danych wejściowych, które mogą pojawić się podczas eksperymentu, na wyniki obliczeń. Opracowana metoda została wykorzystana również do analizy danych eksperymentalnych z kamery neutronowej na tokamaku JET, uzyskanych podczas kampanii deuterowo-trytowej w 2021 roku. Badanie zaburzeń w rozkładzie emisyjności neutronów dostarcza informacji niezbędnych do optymalizacji parametrów pracy pozwalających na wydłużenie czasu wyładowania plazmy. Zinterpretowano wyniki rekonstrukcji rozkładu emisyjności neutronów w przypadku dwóch scenariuszy pracy; bazowego i hybrydowego. Obliczenia tomograficzne dostarczają informacji o wpływie stosunku izotopów paliwa na stabilność plazmy oraz wpływie aktywności MHD na produkcję neutronów. W wyładowaniach zawierających małe ilości trytu zaobserwowano wiele odstępstw od standardowych rozkładów symetrycznych z maksymalną emisyjnością neutronów w centrum. W przypadku zaburzeń magnetohydrodynamicznych przeprowadzona analiza nie pozwoliła powiązać niestabilności emisji neutronów z badanymi zjawiskami. Ograniczenie w postaci całkowitej emisyjności neutronów nie poprawia bezwzględnych wartości rozkładu emisyjności neutronów dla tokamaka JET. Problemem są różne energie progowe dla detektorów kamer neutronowych i monitorów neutronów. Kolejnym przykładem źle postawionego problemu odwrotnego w pomiarach neutronów na urządzeniach fuzyjnych jest rekonstrukcja widma energetycznego z wykorzystaniem metody aktywacyjnej. Autorka rozprawy przygotowała kody komputerowe oparte na regularyzacji Tichonowa, minimalizacji informacji Fishera, zasadzie maksymalnej entropii i zasadzie maksymalnego prawdopodobieństwa. Nowatorskie podejście dotyczy łączenia różnych technik poprzez obliczanie średniego widma energetycznego ze wszystkich otrzymanych rezultatów. Opracowana metoda zastosowana została do analizy widm energetycznych neutronów emitowanych przez dwa rodzaje przenośnych generatorów neutronów 14 MeV opartych na reakcji deuter-tryt. Analiza widma energetycznego emitowanego przez plazmowy generator neutronów została wykonana z użyciem folii dozymetrycznych Al, Zn, Fe, Ni, Zr, oraz Au. Obliczenia pokazały, że reakcje deuter-deuter i tryt-tryt mogące zachodzić w urządzeniu mają pomijalnie mały wpływ na rozkład energii neutronów emitowanych w tym urządzeniu. Ze względu na dużą niepewność pomiarową aktywności folii dozymetrycznych najniższy błąd rekonstrukcji wynosił 18% dla widma otrzymanego z uśredniania po wszystkich metodach. Pomiar aktywności próbek Al, Fe, Ni, Zr, Au, Mg i Nb naświetlonych neutronami z generatora opartego na reakcji wiązka tarcza został wykonany za pomocą innego spektrometru z większą dokładnością. Pozwoliło to na zrekonstruowanie energetycznego widma neutronów dla którego otrzymano zgodność aktywności symulowanej i eksperymentalnej na poziomie 10%. Ustawienie próbek w odległości 21 cm od generatora spowodowało, że zarejestrowano wiele neutronów rozproszonych, które uniemożliwiają rozstrzygniecie czy w generatorze występują reakcje związane z adsorpcja jonów wiązki na tarczy. Opracowane metody zostaną w przyszłości zastosowane w analizie energetycznych widm neutronów na tokamakach. The thesis presents mathematical methods' potential to solve inverse problems related to the measurement by neutron diagnostics on fusion devices. Similar algorithms can be used to reconstruct the neutron emissivity spatial distribution and neutron energy spectrum. The main subject of this thesis is the tomography reconstruction of the neutron emissivity as the tool for studying plasma temperature and density or interactions and transport of the ions during the tokamak operation. An algorithm based on the Minimum Fisher Information Regularisation (MFR) has been implemented to analyse the data obtained by neutron cameras on ITER and JET tokamaks. The MFR algorithm was applied to optimise the Radial Neutron Camera for ITER architecture and detectors type during its design. Investigation of various operation regimes and issues that can appear during the experiment allows for preparing the efficient tool for thermal plasma analysis during ITER operation. The total neutron yield was applied to the MFR algorithm as the additional constraint and improved the tomography reconstruction precision. The developed method was used to analyse the experimental data from the neutron camera on JET tokamak collected during the deuterium tritium campaign in 2021. The interpretation of the neutron emissivity for two scenarios, baseline and hybrid, considered for ITER is described. The tomography calculations provide information about fuel isotopes ratio influence on the plasma stability and MHD activity impact on neutron production. The total neutron yield constraint does not improve the absolute values of the neutron emissivity distribution for JET tokamak. The problem is the different threshold energies for neutron camera detectors and neutron rate monitors. The combination of Tikhonov Regularization, Minimum Fisher Information, Maximum Entropy, and Maximum Likelihood methods was applied to analyse the energy spectra emitted by two kinds of the 14 MeV portable neutron generators based on deuterium-tritium reaction. The activities induced in the Al, Zn, Fe, Ni, Zr, Au by Gradel Fusion NSD 35 2-DT-C-W gas-plasma target neutron generator were measured by the BrilLanCe 380 scintillator with the lowest uncertainty equal to 10%. The reconstruction results show the domination of the 14 MeV neutrons in the energy spectrum. The impact of the deuterium-deuterium and tritium-tritium reactions is not demonstrated. The lowest energy spectrum reconstruction uncertainty, equal to 18%, was obtained by calculating the mean spectrum from all the considered methods. The neutron emission from the sealed tube neutron generator Genie 16C manufactured by Sodern was monitored by Al, Fe, Ni, Zr, Au, Mg, and Nb foils. The HPGe spectrometer measured their activity with a precision of better than 12%. The best spectrum reconstruction uncertainty was obtained for mean energy spectra and varied from 11% to 15%. A significant impact from the scattered neutrons on the measured neutron intensity makes it impossible to distinguish the presence of the deuterium-deuterium reaction. It is planned to implement the developed methodology on fusion devices like tokamaks. | |
| dc.description.physical | 253 | |
| dc.identifier.uri | https://rifj.ifj.edu.pl/handle/item/453 | |
| dc.language.iso | en | |
| dc.publisher | The Henryk Niewodniczański Institute of Nuclear Physics Polish Academy of Sciences | |
| dc.rights | Attribution 4.0 International | en |
| dc.rights.uri | http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/ | |
| dc.title | Ill-posed inverse problems in the controlled nuclear fusion neutron measurements | |
| dc.title.alternative | Źle postawione problemy odwrotne w pomiarach neutronów z kontrolowanej syntezy jądrowej | |
| dc.type | doctoralThesis | pl_PL.UTF-8 |
