Radiative divertor studies in JET high confinement mode plasmas

Controlled power exhaust is one of the key challenges in reactor scale fusion devices. These devices must maintain heat loads less than 10 MW/m2 at the plasma-facing materials (PFM), while producing gigawatts of fusion power. Furthermore, sufficiently low erosion of and fuel retention in PFMs are required to reach reactor relevant component duty cycles. The presently preferred solution to these challenges is to utilize tungsten PFMs with injection of extrinsic radiating impurities, such as nitrogen or neon. However, significant gaps do still exist in the technology and scientific understanding needed to fully rely that these devices will perform according to their design specifications. Predictive capability for these devices relies on model validation and physics interpretation studies conducted on existing fusion test reactors.  In this doctoral thesis, radiative divertor studies with nitrogen and neon injection are investigated experimentally and interpreted with the multi-fluid code package EDGE2D-EIRENE for high confinement mode plasmas in the JET tokamak. The studies include comparison of predicted and measured divertor conditions, investigations of the impact of PFMs and divertor geometry on the divertor performance, and comparison of divertor performance with nitrogen and neon injection. Furthermore, predictions for tungsten retention in the divertor chamber with the Monte-Carlo code DIVIMP were conducted.  When imposing the divertor radiation by impurities, the simulations capture the experimentally observed reduction of the low-field side (LFS) divertor peak heat load, radiated power, and their spatial distribution. However, consistent with earlier studies, the simulations underestimate the radiated power by deuterium, indicating a shortfall in the radiation from the fuel species. Due to similar radiative characteristics of nitrogen and carbon, the divertor radiation distributions observed in JET with carbon PFMs can be obtained with nitrogen seeding in JET with the ITER-like wall. Detachment is obtained at similar divertor radiation levels in both PFM configurations. Unexpectedly, divertor geometry is observed to have only a marginal impact on the reduction of the LFS heat load with increasing radiation. It is also observed that similar levels of LFS heat load reduction can be obtained at JET with either nitrogen or neon injection. However, unlike nitrogen radiation, a significant fraction of neon radiation is predicted to occur in the confined plasma, expected to reduce plasma performance. Furthermore, high density, low temperature divertor conditions are predicted to be beneficial for improving tungsten retention in the divertor of JET, and edge-localized modes (ELMs) are predicted to dominate tungsten erosion and leakage out of the divertor chamber in JET.Lämmönsiirto on eräs keskeisimmistä fuusioreaktoreiden haasteista. Seinämien kuormat eivät saa ylittää 10 MW/m2 reaktoreiden tuottaessa useita gigawatteja fuusioenergiaa. Lisäksi seinämän eroosion sekä polttoaineen kertymisen reaktoriin täytyy olla riittävän hidasta, jotta toimintajakso huoltoseisokkien välissä on riittävän pitkä. Lupaavin ratkaisu näihin haasteisiin on käyttää volframia seinämämateriaalina ja suihkuttaa reaktoriin tehoa säteileviä epäpuhtauksia. Nykyisessä teknologisessa ja tieteellisessä ymmärryksessä on kuitenkin puutteita, eikä voida täysin luottaa siihen, että mallien avulla suunnitellut reaktorit suoriutuvat täysin tehtävistään. Ennusteet fuusioreaktoreille perustuvat laskentamallien validointiin ja fysiikan ilmiöiden tulkintaan olemassa olevilla fuusioreaktoreilla.  Tässä työssä tutkitaan sekä kokeellisesti että EDGE2D-EIRENE -koodipaketilla tehosäteilyä divertorilla JET-tokamakissa korkean koossapidon plasmoissa. Tutkimuksissa vertaillaan ennustettuja ja mitattuja diverttoriolosuhteita, tutkitaan seinämäkomponenttien materiaalien ja geometrian vaikutusta säteilevän diverttorin suorituskykyyn, sekä vertaillaan diverttorin suorituskykyä typpi- ja neonsuihkutuksella. Lisäksi volframin kulkeutumista on tutkittu ennustavilla Monte-Carlo simulaatioilla DIVIMP-koodia käyttäen.  Simulaatiot toistavat kokeellisesti havaitun diverttorisäteilyjakauman sekä teho- ja hiukkaskuorman vähenemisen matalan kentän puoleisella (LFS) diverttorilevyllä, mikäli kokeellisesti mitatut säteilytasot sovitetaan epäpuhtaussuihkutuksen avulla. Simulaatiot kuitenkin aliarvioivat deuteriumin aiheuttaman säteilyosuuden, kuten on havaittu aikaisemmissakin tutkimuksissa. Hiilen ja typen samankaltaisista säteilyominaisuuksista johtuen JET-tokamakin täyshiiliseinällä havaitut säteilyjakaumat voidaan toistaa typpisuihkutuksella JETin ITER-seinämä -kokeissa. Diverttoriplasman erkaantuminen saavutetaan samoilla säteilytasoilla molemmilla seinämämateriaaleilla. Vastoin odotuksia diverttorigeometrialla havaittiin olevan vain vähän vaikutusta LFS-diverttorilevyn lämpökuormituksen vähenemiseen säteilyn kasvaessa. Lisäksi samankaltaiset diverttorin lämpökuormituksen vähenemiset havaitaan sekä typpi- että neonsuihkutuksella. Toisin kuin typpisäteily, merkittävä osa neonsäteilystä kuitenkin tapahtuu koossapidetyn plasman puolella, minkä uskotaan heikentävän plasman suorituskykyä. Lisäksi korkean tehon ja matalan lämpötilan diverttoriolosuhteet on laskentamallien mukaan eduksi volframin pitämiseksi diverttorikammiossa. Reunamoodit (ELMs) dominoivat laskentamalleissa volframin eroosiota ja kulkeutumista ulos diverttorikammiosta JET-tokamakissa

Bayesian approach for validation of runaway electron simulations

Peer reviewe

Bayesian approach for validation of runaway electron simulations

Peer reviewe

Volframin kulkeutumisen simulointia JETin ELMisen korkean koossapidon plasman reunalla

Tungsten plasma-facing components (PFCs) are foreseen in the divertor of ITER during the activated operational phase due to low fuel retention in the bulk material and the absence of co-deposition. While physical sputtering of deuterium is suppressed in semi-detached plasma conditions, tungsten sputtering by deuterium during edge localized modes (ELMs) and by plasma impurities may lead to significant tungsten erosion, high tungsten concentrations in the core plasma exceeding 10-5, strong radiation and, therefore, to reduction of plasma performance. Understanding the time-evolution of tungsten erosion and transport in LMy H-mode plasmas is, thus, essential for optimising tungsten impurity screening in tokamaks operating with tungsten PFCs. To address the issues related to tungsten sources and transport in ITER, an ITER-like wall has been installed in the JET tokamak with tungsten divertor PFCs and bulk beryllium main chamber limiters. In this study, tungsten contamination is simulated for one of the JET ITER-like wall reference plasmas of high triangularity. Tungsten erosion and transport are simulated with the quasi-kinetic Monte Carlo trace-ion code DIVIMP on background plasmas dynamically evolved in time with the 2-D multi-fluid code EDGE2D/EIRENE. The EDGE2D/EIRENE simulations are adjusted to match the pre-ELM outer midplane (OMP) Thomson scattering, target Langmuir probe and target infra-red camera measurements, as well as to reproduce within a factor of two the total ELM magnitude and the ratio of the convective ELM losses to the conductive ones. ELMs are simulated ad hoc by imposing short duration enhancements for the crossfield diffusion coefficients around the OMP. DIVIMP is executed on the obtained ELM background plasma solutions to model the time-evolution of tungsten erosion and core leakage. Tungsten erosion due to background deuterium and small percentages of light impurities, such as neon, nitrogen and beryllium, are taken into account. The ELM onset in EDGE2D/EIRENE is characterized by sheath-limited (ve * - 2) SOL plasma conditions with target temperatures of the order of a few 100 eV. The sheath-limited, high target temperature conditions lead to a significant increase of tungsten sputtering and divertor leakage. The target temperatures remain elevated during the first few 100 ?s of the ELM event. The target densities begin to increase roughly 1 millisecond after the ELM onset, which leads to high recycling target conditions and lowers the target temperatures rapidly to the range of a few 10 eV. Consequently, tungsten sputtering and divertor leakage are considerably suppressed. Accordingly, ELMs impose a strong temporal increase of the core tungsten contamination, which dominantly determines the amount of tungsten in the core. Therefore, the core tungsten contamination of ELMy H-mode plasmas becomes a balance process between the ELM induced core purging, and the ELM caused core contamination, thus being ultimately determined by the ELM characteristics. An estimated tungsten core concentration of 10-6 - 10-5 was obtained. Roughly 50% of the core contamination originated from sputtering due to deuterium impact during ELMs. Including selfsputtering leads to a short duration tungsten run-away process during the intra-ELM phase. Therefore, the self-sputtering presumably increases the core contamination above the values obtained in this study.ITER koereaktorin ydinfuusio-ohjelman aikana tullaan todennäköisesti käyttämään volframisia komponentteja diverttorin alueella, koska volframi kaappaa vain vähän polttoainetta eikä muodosta seinälle kertyviä yhdisteitä polttoaineen kanssa. Vaikka volframi kestää hyvin deuteriumin aiheuttamaa eroosiota, volframin eroosio plasman epäpuhtauksien ja reunamoodien (ELM) vaikutuksesta voi johtaa merkittävään komponenttien kulumiseen, korkeaan volframipitoisuuteen plasmassa, voimakkaaseen keskustan säteilyyn ja plasman tehon heikkenemiseen. ITER koereaktorin ensiseinän materiaalien aiheuttamien kysymysten takia, JET-tokamakin ensiseinä on vaihdettu ITER-tyyppiseksi, joka koostuu beryllium rajoittimista ja volframista valmistetuista diverttorilevyistä. Tässä työssä tutkitaan plasman keskustan volframisaastumista yhdessä JET-tokamakin ITER-tyyppisen ensiseinän referenssiplasmassa. Volframin eroosiota ja kulkeutumista mallinnetaan kvasi-kineettisellä Monte-Carlo ohjelmalla DIVIMP käyttäen taustaplasmoja, joiden dynaaminen aikakehitys on laskettu 2-D fluidiohjelmalla EDGE2D/EIRENE. EDGE2D/EIRENEsimulaatiot on säädetty vastaamaan ELMien välisiä mittauksia ulkokeskilinjan Thomsonin sironta, sekä diverttorilevyjen Langmuir sondi ja infrapuna kamera diagnostiikoilla. Lisäksi ELMin suuruus, sekä ELMin virtaavan ja johtuvan osuuden suhde on asetettu vastaamaan mittaustuloksia tekijän 2 virhemarginaalilla. ELMejä mallinnetaan tässä työssä ad hoc -menetelmällä kasvattamalla lyhyeksi ajaksi plasman kentän poikkisuuntaista diffuusiota ulkoisen keskilinjan ympäristössä. Saatuja ELM ratkaisuja käytetään DIVIMP simulaatioissa, joissa mallinnetaan volframin eroosion ja keskustaan vuotamisen aikariippuvuutta. Volframin eroosiota laskettaessa on otettu huomioon deuteriumin, sekä kevyiden plasman epäpuhtauksien vaikutus. ELM johtaa EDGE2D/EIRENE-simulaatioissa kalvorajoitettuun plasmaan, jossa diverttorilevyjen plasmalämpötilat ovat muutaman 100 eV:n luokkaa. Kalvorajoitettu korkean levylämpötilan plasma johtaa merkittävään volframin eroosioon ja keskustaan kulkeutumiseen. Levylämpötilat pysyvät suurina ensimmäisten muutaman 100 ?s aikana ELMin jälkeen. Plasman tiheys diverttorilevyjen edessä alkaa nousta noin 1 millisekunnin jälkeen, mikä johtaa korkean neutraalikierrätyksen plasmaan laskien lämpötilan diverttorilevyjen edessä nopeasti muutamaan 10 eV:in. Korkean neutraalikierrätyksen alkaessa, volframin eroosio ja keskustaan kulkeutuminen heikkenevät voimakkaasti. ELMit johtavat siis voimakkaaseen hetkelliseen plasman saastumiseen, joka määrää suurelta osin plasman keskimääräisen volframikonsentraation. Plasman volframisaastuminen osoittautuu siis tasapainoprosessiksi, jossa ELMien aiheuttama keskustan saastuminen ja puhdistuminen kilpailevat keskenään. Volframisaastuminen ELMisessä H-moodi plasmassa määräytyy siis suurelta osin ELMien ominaisuuksien perusteella. Tässä työssä volframikonsentraatiolle saatiin arvio 10-6 - 10-5. Noin 50 % keskustaplasman volframisaastumisesta johtui deuteriumin ELMin aikana aiheuttamasta eroosiosta. Itseräiskymisen huomioonottaminen johtaa voimakkaaseen volframin eroosion kasvamiseen ELMin aikana. Täten itseräiskyminen johtanee saatuja arvioita suurempaan volframikonsentraatioon