Analysis of nuclear fusion reactor discharge simulations using METIS

Abstract

The Nuclear Engineering Department of UPC has the need of a nuclear fusion plasma simulator for its research activities and educational tasks. For many years, PRETOR has been the program used for this purpose, but it has become obsolete. Nowadays there are more modern simulation codes for fusion reactor’s plasma shots, like CRONOS and METIS. Due to the complexity of CRONOS, METIS was more suitable. The Nuclear Engineering Section of UPC has been authorised by ITER Organisation to use METIS for educational and research purposes after the signing of an agreement named "Agreement on Cooperation on the ITER Modelling and Analysis Suite (IMAS) and Related Repositories by Universitat Politècnica de Catalunya". This project has gotten inside METIS program, to analyse the obtained simulations on fusion plasma, trying to understand some pieces of code as well. METIS is a code based on MATLAB, combined with some modules programmed with Fortran, C and C++, developed by J.F. Artaud from the Institute for Magnetic Fusion Research, in France. Despite being METIS a very powerful tool on the simulation of fusion reactors with a great quantity of applications, as it is a restricted program only available for researchers from the same field, it does not offer enough help information for those who begin to work with it. This document includes a brief introduction on fusion physics, the principles on magnetic confinement reactors and the presentation of some different integrated modelling codes for fusion plasma. In order to complement the METIS help guide, we have used the knowledge acquired during our work to prepare a draft manual that we hope to be useful whenever it is intended to work on a teaching practices program. During this process we have tried to understand on which models the program is based, getting to analyse the source code, study and compare simulations. Furthermore, a great amount of work done in this project has been focused on the development of a setup of MATLAB functions designed to make easier the study of METIS outputs. This has permitted us to outline an example on how it would be possible to incorporate new functionalities inside METIS source code

El Departament d’Enginyeria Nuclear de la UPC té la necessitat d’un simulador de plasmes de fusió nuclear per dur a terme activitats de recerca i educació. Durant anys, PRETOR ha estat el programa utilitzat amb aquest propòsit, però ha quedat obsolet. Actualment hi ha simuladors més moderns per les descàrregues de reactors de fusió com CRONOS i METIS. Degut a la complexitat de CRONOS, METIS era més adequat. La Secció d’Enginyeria Nuclear de la UPC està autoritzada per l’Organització ITER a poder utilitzar METIS amb propòsits educatius i de recerca després de signar un acord anomenat “Agreement on Cooperation on the ITER Modelling and Analysis Suite (IMAS) and Related Repositories by Universitat Politècnica de Catalunya". Aquest projecte s’ha endinsat dins el programa METIS, per tal d’analitzar simulacions obtingudes sobre el plasma de fusió, procurant entendre part del codi del programa en el procés. METIS és un codi basat en MATLAB, combinat amb alguns mòduls en Fortran, C i C++, elaborat per J.F. Artaud de l’Institut per la Recerca en Fusió Magnètica, a França. Tot i ser METIS una eina molt potent en la simulació de reactors de fusió amb una gran quantitat d’aplicacions, al tractar-se d’un programa restringit només a investigadors del mateix camp de recerca, no ofereix una informació suficient per a tot aquell que comença a treballar amb ell. Aquest document incorpora una breu introducció a la física de fusió, els principis de funcionament dels reactors de confinament magnètic i la presentació de diferents codis de modelat integrat per plasmes de fusió. Per intentar complementar la guia d’ajuda de METIS, hem utilitzat els coneixements adquirits durant aquest projecte per elaborar un esbós de manual d’usuari que podria ser útil a l’hora de confeccionar un manual de pràctiques acadèmiques. Durant aquest procés hem intentat entendre sobre quins models es basa el programa, arribant a analitzar el codi font, estudiar i comparar simulacions. A més a més, un dels gruixos de feina més importants d’aquest projecte, ha estat tot el desenvolupament d’un seguit de funcions de MATLAB destinades a facilitar l’estudi de les sortides de METIS. Això ens ha permès també plantejar un exemple de com es podrien incorporar noves funcionalitats dins el codi font de METIS

El Departamento de Ingeniería Nuclear de la UPC tiene la necesidad de un simulador de plasmas de fusión nuclear para llevar a cabo actividades de investigación y educación. Durante años, PRETOR ha sido el programa utilizado con este propósito, pero ha quedado obsoleto. Actualmente hay simuladores más modernos para las descargas de reactores de fusión, como CRONOS y METIS. Debido a la complejidad de CRONOS, METIS era el más adecuado. La Sección de Ingeniería Nuclear de la UPC está autorizada por la Organización ITER a poder utilizar METIS con propósitos educativos y de investigación después de firmar un acuerdo llamado “Agreement on Cooperation on the ITER Modelling and Analysis Suite (IMAS) and Related Repositories by Universitat Politècnica de Catalunya”. Durante este proyecto nos hemos adentrado en el programa METIS, para analizar las simulaciones obtenidas sobre el plasma de fusión, procurando entender parte del código del programa en el proceso. METIS es un programa basado en MATLAB, combinado con algunos módulos en Fortran, C y C++, elaborado por J.F. Artaud del Instituto de Investigación en Fusión Magnética, en Francia. A pesar de ser METIS una herramienta muy potente en la simulación de reactores de fusión con una gran cantidad de aplicaciones, al tratarse de un programa restringido únicamente a investigadores del mismo campo, no ofrece información suficiente para todo aquel que empieza a trabajar con él. Este documento incorpora una breve introducción a la física de fusión, los principios de funcionamiento de los reactores de confinamiento magnético y la presentación de diferentes códigos de modelado integrado para plasmas de fusión. Para intentar complementar la guía de ayuda de METIS, hemos usado los conocimientos adquiridos durante este proyecto para elaborar un esbozo de manual de usuario que podría ser útil a la hora de confeccionar un manual de prácticas académicas. Durante este proceso hemos intentado entender sobre qué modelos se basa el programa, llegando a analizar el código fuente, estudiar y comparar simulaciones. Además, uno de los principales trabajos en este proyecto ha sido el desarrollo de un conjunto de funciones de MATLAB destinadas a facilitar el estudio de las salidas de METIS. Esto nos ha permitido también plantear un ejemplo de cómo se podrían incorporar nuevas funcionalidades dentro del código fuente de METIS