Outline:

Tungsten is a prime candidate material for the plasma facing components for future tokamaks, where it has to withstand high heat and particle fluxes from the burning plasma. It has a number of favorable properties for this purpose – namely high melting point, high-temperature strength, good thermal conductivity, high resistance to sputtering, etc. – yet some limitations, especially its brittleness. As bulk tungsten is typically processed by thermomechanical treatment involving plastic deformation, it is prone to recrystallization at elevated temperatures, which affects the mechanical properties. The recrystallization behavior itself is a characteristic of tungsten materials processed in a specific way.

The Compass-Upgrade tokamak, currently being built at the Institute of Plasma Physics in Prague, will have a large portion of plasma facing components made of tungsten, therefore a suitable material has to be selected. Recrystallization behavior is among the characteristics that should be explored and would be part of the basis for materials selection.

The proposed bachelor thesis/research task consists of:

1. Getting acquainted with scanning electron microscopy (SEM) and microhardness techniques

2. Participation in laser-induced heating experiments aimed at recrystallization

3. Characterization of recrystallized portion of different tungsten grades as a function of annealing temperature, via SEM and microhardness

Proposed literature:

Matějíček, J. (2013). Materials for Fusion Applications. Acta Polytechnica, 53(2). https://doi.org/10.14311/1761

Description of the COMPASS-U tokamak plasma-facing components https://www.ipp.cas.cz/miranda2/export/sitesavcr/ufp/o-ufp/Verejne_zakazky/CU_PFC_PMC_detailed_description_02.pdf

G. Pintsuk: Tungsten as a Plasma-Facing Material https://doi.org/10.1016/B978-0-08-056033-5.00118-X

M. Richou et al.: Recrystallization at high temperature of two tungsten materials complying with the ITER specifications https://www.sciencedirect.com/science/article/am/pii/S0022311520310266

Osnova / Outline:

Rotace plazmatu v tokamacích může být přirozená, bez vnějšího buzení, nebo způsobena dodatečným ohřevem plazmatu, které je nehomogenní a předává plazmatu dodatečný moment hybnosti. Jedná se o jeden ze základních parametrů plazmatu a hraje klíčovou roli v přechodech do vyšších módů udržení. V nynější době se rotace plazmatu měří pomocí Dopplerovského posunu spektrálních čar nečistot plazmatu. Tato metoda nicméně vyžaduje přítomnost svazku vysokoenergetických neutrálních částic, který ovlivňuje rotaci plazmatu.

Oproti tomu existuje možnost vyhodnotit rotaci plazmatu ze signálů dvojice analyzátorů neutrálních částic, který je čistě pasivní diagnostikou a tedy neovlivňuje měřenou veličinu. Tento analyzátor měří energetické spektrum neutrálů, které mají původ v iontech plazmatu. Tyto ionty plazmatu mají Maxwellovskou distribuci ve vstažné soustavě plazmatu. Naproti tomu, ve vztažné soustavě tokamaku a tedy i přiléhajících diagnostik, je tato distribuční funkce posunuta o rotaci plazmatu. Stejně jako termální ionty se pro toto studium dají později využít i alfa částice, které jsou produktem fúze deuteria a tritia a mají homogenní distribuční funkci ve vztažné soustavě plazmatu. Tato metoda je unikátní v tom, že může umožnit měření rotace plazmatu bez dodatečných vlivů samotné měřící metody a tedy i přesnější studium jevů ovlivněných rotací plazmatu.

Student se během práce seznámí s: rolí neutrálů v tokamakovém plazmatu analyzátorem neutrálních částic, principem jeho fungování a různé používané typy vlivem rotace plazmatu na módy udržení s postupem vývojem syntetické diagnostiky   Náplň práce: vytvoření modelu pro výpočet distribuce iontů, termálních a alfa částic, v plazmatu určení rozdílu měřeného signálu analyzátorem neutrálních částic v důsledku jeho různého umístění diskuse o použitelnosti této metody na měření přirozené a dodatečné rotace plazmatu pro různé tokamaky (např. COMPASS-Upgrade, ASDEX Upgrade, ITER, DEMO)

V plazmatu tokamaku se vyskytuje řada oscilací, od běžných magnetických ostrovů až po exotické Alfvénovy vlny hnané ubíhajícími elektrony. Tyto oscilace mohou mít velmi rozličný původ i dopad na chování plazmatu. Mohou ovlivňovat transport plazmatu a rychlých částic, způsobovat disrupce, zabraňovat dosažení pokročilých módů udržení plazmatu, či naopak být nutným předpokladem jejich existence. Detekce a predikce jejich výskytu a vlastností je tedy důležitým prvkem při plánování a interpretaci experimentu na tokamaku.

V rámci této práce se student seznámí se základy moderních metod strojového učení a jejich použití v jazyce Python. S jejich pomocí poté vytvoří jednoduchý model pro automatickou detekci vybraného typu oscilací v plazmatu tokamaku COMPASS a vyhodnotí jeho úspěšnost. Vstupními daty budou měření magnetických diagnostik uložená v databázi tokamaku COMPASS.

V rámci práce student či studentka:

• Získá zkušenost se zpracováním diagnostických dat, a to především časových řad, v jazyce Python.
• Naučí se základy spektrální analýzy.
• Získá zkušenost s aplikací metod strojového učení na řešení reálného problému.

Osnova:

• Rešerše metod strojového učení s učitelem.
• Použití již existujících knihoven pro spektrální analýzu časových řad k vytvoření přehledu MHD oscilací detekovaných v plazmatu tokamaku COMPASS.
• Výběr vhodného druhu MHD módu a sestavení trénovacího datasetu.
• Vytvoření jednoduchého modelu pro detekci vybraného módu či predikci jeho parametrů z globálních parametrů plazmatu.
• Aplikace modelu na testovací data a vyhodnocení úspěšnosti.

Literatura:

Sebastian Raschka, Vahid Mirjalili. Python Machine Learning. Birmingham, UK: Packt Publishing, 2019. ISBN: 978-1789955750.

Tarek Amr. Hands-On Machine Learning with scikit-learn and Scientific Python Toolkits: A practical guide to implementing supervised and unsupervised machine learning algorithms in Python. Birmingham, UK: Packt Publishing, 2020. ISBN: 978-1838826048.

John Wesson, D. J. Campbell. Tokamaks. Oxford University Press, 2011. ISBN: 978-0199592234.

Valentin Igochine. Active Control of Magneto-hydrodynamic Instabilities in Hot Plasmas. Springer Berlin, Heidelberg, 2015. ISBN: 978-3-662-44221-0.

Konzultant: Ing. Jan Čečrdle

Osnova / Outline:

Tepelný štít na divertoru tokamaků musí vydržet kontakt s plazmatem, jehož parametry překračují zátěž trysek raket a jsou spíše srovnatelné s povrchem Slunce. Klasický štít z pevného wolframu toho pravděpodobně bohužel nebude schopen v tokamacích následujících ITER. V Praze na COMPASSu [Dejarnac20] jsme (poprvé na světě) experimentálně prokázali přežití štítů divertoru na bázi tekutých kovů vsáknutých do porézní struktury z těžkotavitelného kovu, včetně souladu s modelem [Horacek20], jež předvídá pro COMPASS-Upgrade podmínky [Horacek21] podobné budoucí DEMOnstrační fúzní elektrárně. 

Podobný experiment bude proveden v červenci 2022 na německém velkém tokamaku ASDEX Upgrade. Úkolem studenta bude přímo ověřit tytéž fyzikální simulace [Cecrdle22] analýzou těchto experimentálních dat (ze sond, termovizní kamery, spektroskopie, …). Podmínkou práce je tedy schopnost komunikace v angličtině a programovat, ideálně v jazyce Python, alternativně v IDL nebo Matlab.

Literatura / References:

[Dejarnac20] R. Dejarnac et al. Nuclear Materials and Energy 25 (2020) 100801

[Horacek20] J. Horacek et al. Nucl. Fusion 60 (2020) 066016

[Horacek21] J. Horacek et al. Phys. Scr. 96 (2021) 124013

[Cecrdle22] J. Cecrdle et al. Poster at SOFT 2022 conference, Dubrovnik, Croatia