Tokamak code TOKES. Models and implementation

The code TOKES was recently developed aiming at integrated simulation of plasma equilibriums and surface processes in tokamaks. Main features of TOKES are described. The code calculates processes in multi-fluid plasma and neutral atoms in the vessel, including plasma heating by neutral beams, transport of hot plasma and electromagnetic radiation, and surface responses to the load, such as the sputtering and the vaporization. The magnetic field is also addressed.Недавно разработанный код ТОКЕС предназначен для объединенного моделирования плазменного равновесия в токамаке и процессов на поверхности стенки вакуумной камеры. Описаны основные свойства кода. ТОКЕС рассчитывает физические процессы в многожидкостной плазме и нейтральные атомы в камере, включая нагрев плазмы нейтральными пучками, перенос плазмы и электромагнитного излучения, а также реакцию стенки на нагрузку: атомное распыление и испарение. Магнитное поле также рассмотрено.Нещодавно розроблений код “ТОКЕС” призначений для об'єднаного моделювання плазмової рівноваги в токамаці і процесів на поверхні стінки вакуумної камери. Описано основні властивості коду. ТОКЕС розраховує фізичні процеси в багаторідинній плазмі і нейтральні атоми в камері, включаючи нагрів плазми нейтральними пучками, перенос плазми й електромагнітного випромінювання, а також реакцію стінки на навантаження: атомне розпилення і випар. Магнітне поле також розглянуто

Droplet formation at the W-macrobrush targets under transient events in ITER

Most important mechanisms of melt splashing and melt bridge formation under ITER transient heat loads are analyzed. Approximate criteria for droplet ejection are used to find the range of transient events where the droplet injection is absent. The critical radius of brush edges rounding which prevents the bridge formation at the macrobrush edges is determined.Проаналізовано розвиток нестійкостей Релея-Тейлора і Кельвіна-Гельмгольца, як механізмів розбризкування розплаву при впливі перехідних теплових навантажень на диверторні пластини в ІТЕРі. Наближені критерії для ежекції крапель були використані для знаходження діапазону перехідних режимів, що не супроводжуються краплинною ерозією, і визначення критичного радіуса заокруглення границь елементів диверторних пластин типу «macrobrush».Проанализировано развитие неустойчивостей Рэлея-Тейлора и Кельвина-Гельмгольца, как механизмов разбрызгивания расплава при воздействии переходных тепловых нагрузок на диверторные пластины в ИТЭРе. Приближенные критерии для эжекции капель были использованы для нахождения диапазона переходных режимов, не сопровождающихся капельной эрозией, и определения критического радиуса закругления границ элементов диверторных пластин типа «macrobrush»

Erosion of ITER divertor armour and contamination of SOL after transient events by erosion products

Plasma impact to the divertor expected in the tokamak ITER during ELMs or disruptions can result in a significant surface damage to CFC- and tungsten armours (brittle destruction and melting respectively) as well as in contamination of SOL by evaporated impurities. Numerical investigations for tungsten and CFC targets provide important details of the material erosion process. The simulations carried out in FZK on the material damage, carbon plasma expansion and the radiation fluxes from the carbon impurity are surveyed.Вплив плазми на дивертор, передбачуваний в ИТЕРі при розвитку ЕЛМ нестійкостей у скін-шарі або при зривах, може викликати як значне поверхневе ушкодження (тендітне руйнування і плавлення відповідно) диверторних пластин, виготовлених із графітових композитів і вольфраму, так і забруднення скін-шару домішками, що випарувалися. Чисельні розрахунки з вольфрамовими і композитними мішенями проясняють важливі деталі процесу ерозії матеріалів. Дано огляд розрахунків, проведених у НЦК, по ушкодженню матеріалів, поширенню вуглецевої плазми і випромінюванню вуглецевої домішки.Воздействие плазмы на дивертор, предполагаемое в ИТЕР при развитии ЭЛМ неустойчивостей в скин-слое или при срывах, может вызвать как значительное поверхностное повреждение (хрупкое разрушение и плавление соответственно) диверторных пластин, изготовленных из графитовых композитов и вольфрама, так и загрязнение скин-слоя испарившимися примесями. Численные расчеты с вольфрамовыми и композитными мишенями проясняют важные детали процесса эрозии материалов. Дан обзор расчетов, проводимых в НЦК, по повреждению материалов, распространению углеродной плазмы и излучению углеродной примеси

Erosion mechanisms and erosion products in tungsten targets exposed to plasma heat loads relevant to ELMS and mitigated disruptions in ITER

Tungsten targets were irradiated by intense plasma streams at plasma gun facilities MK-200UG and QSPA-T. The targets were tested by plasma loads relevant to Edge Localised Modes (ELM) and mitigated disruptions in ITER. Material erosion caused by melt motion and by emission of droplets has been studied.Мишени из вольфрама были подвергнуты воздействию интенсивных потоков плазмы на плазменных ускорителях МК-200UG и КСПУ-Т. Испытания проводились при плазменных нагрузках, характерных для ELMов и ослабленных срывов в ITERe. Исследована эрозия материала, обусловленная движением расплава и капельным разбрызгиванием.Мішені з вольфраму були піддані впливу інтенсивних потоків плазми на плазмових прискорювачах МК-200UG і КСПУ-Т. Іспити проводилися при плазмових навантаженнях, характерних для ELMів і ослаблених зривів в ITERі. Досліджено ерозію матеріалу, що обумовлена рухом розплаву і краплинним розбризкуванням.The work is supported by RFBR grant No 09-02-13562

Comparable analysis of shielding layer parameters for different target materials under the plasma stream exposure

Numerous experiments on the plasma-wall interaction problem have been performed with the powerful quasistationary plasma accelerator (QSPA) K-50 device during last decades. These investigations were performed with different target materials (carbon, tungsten, steel etc.) at the different plasma stream parameters. But such problems as, for example, impact of target material on the basic plasma characteristics at the same plasma stream parameters were unsolved. So this paper is summarizing data of researches of plasma shielding layer using different materials of targets. The plasma parameters (peak values) obtained at the longitudinal magnetic field B=0.54 T were as follows: Ne~10¹⁷ cm⁻³ (measured from Hβ linear Stark-effect), Te~2.7 eV, plasma pressure ~16 Bar. Working gas was hydrogen with a small diagnostics dope of nitrogen.Останнім часом були представлені численні експерименти з проблеми взаємодії плазма-стінка, які проводилися на квазістаціонарному плазмовому прискорювачі (КСПП) Х-50. Ці дослідження були представлені з різними матеріалами мішеней (вуглець, вольфрам, сталі та ін.) при різних параметрах плазмового потоку. Такі проблеми, як вплив матеріалу мішені на основні характеристики плазми при однакових параметрах плазмового потоку досі не вирішені. Тому ця стаття підводить підсумки досліджень перехідного шару плазми з використанням різних матеріалів мішеней. Параметри плазми (максимальні величини) у магнітному полі B=0.54 T такі: Ne~10¹⁷ см⁻³ (виміряні по лінійному Штарк-ефекту Hβ), Te~2.7 eВ, плазмовий тиск ~16 Бар. В ролі робочого газу використовувався водень з невеликим додатком азоту.В последнее время были представлены многочисленные эксперименты по проблеме взаимодействия плазма-стенка, которые проводились на квазистационарном плазменном ускорителе КСПУ Х-50. Эти исследования представлялись с использованием различных материалов мишеней (углерод, вольфрам, сталь и др.) при разных параметрах плазменного потока. Такие проблемы, как влияние материала мишени на основные характеристики плазмы при одинаковых параметрах потока, все еще не решены. Поэтому эта работа подводит итоги исследований переходного плазменного слоя с использованием различных материалов мишеней. Параметры плазмы (пиковые значения) в продольном магнитном поле B=0.54 T следующие: Ne~10¹⁷ см⁻³ (определялось по линейному Штарк-эффекту Hβ ), Te~2.7 эВ, давление плазмы ~16 Бар. В качестве рабочего газа использовался водород с небольшой добавкой азота

Influence of hydrogen and helium plasma streams exposures on modification of tungsten structure under powerful transient loads

Influence of plasma exposures on tungsten behavior was studied in QSPA Kh-50 facility and pulsed plasma gun PPA. Plasma loads were chosen either below the melting threshold or resulting in pronounced melting. Evolution of residual stresses and lattice spacing was studied for various number of hydrogen or helium plasma impacts. The value of residual stresses depends on irradiation dose and kind of impact plasma. The non monotone change of lattice spacing was observed for melted surface. The damage of exposed surface was caused by cracks appearing.Поведінку вольфрамових мішень при впливі плазмових потоків досліджено на КСПП Х-50 і імпульсивній плазмовій гарматі ІПП. Плазмові навантаження будо обрано нижче порога плавлення і в умовах, що забезпечують явне плавлення. Еволюція залишкових напружень і параметра решітки була досліджена для різної кількості імпульсів водневої або гелієвої плазми. Величина залишкових напружень залежна від дози опромінення та виду плазми, що опромінювала. Немонотонна зміна параметра решітки спостерігалася для розплавленої поверхні. Пошкодження опроміненої поверхні викликано появою тріщин.Поведение вольфрамовых мишеней при воздействии плазменных потоков исследовано на КСПУ Х-50 и импульсной плазменной пушке ИПУ. Плазменные нагрузки были выбраны ниже порога плавления и в условиях, обеспечивающих явленое плавление. Эволюция остаточных напряжений и параметра решетки исследована для различного количества импульсов водородной или гелиевой плазмы. Величина остаточных напряжений зависела от дозы облучения и вида облучающей плазмы. Немонотонное изменение параметра решетки наблюдалось для расплавленной поверхности. Повреждение облученной поверхности вызвано появлением трещин

Plasma-surface interaction during iter transient events: simulation with QSPA Kh-50 AND GOL-3 facilities

The paper presents experimental investigations of plasma-surface interaction (PSI) and materials behavior under plasma loads relevant to giant ELMs in ITER. The experiments were performed with QSPA Kh-50 and GOL-3 devices located in Kharkov, (Ukraine) and Novosibirsk (Russia) respectively. QSPA provided repetitive plasma pulses of the duration of 0.25 ms and the energy density up to 2.5 MJ/m². In GOL-3 multimirror trap the impacting plasma was heated up to 2…4 keV temperature by a high power relativistic electron beam (0.8 MeV, ~30 kA, ~12 µs, ~120 kJ). Surface morphology of the targets exposed to QSPA and GOL-3 plasma is analyzed. Development of cracking on the tungsten surface and droplets splashing are discussed.Представлені результати досліджень взаємодії плазми з поверхнею й поведінки матеріалів при плазмових навантаженнях, відповідних граничним локалізованим модам в ІТЕРі. Експерименти проводились на установках КСПП Х-50 (Харків) й ГОЛ-3 (Новосибірськ). Опромінення на КСПП проводилось повторюваними імпульсами тривалістю 0,25 мс та густиною енергії до 2,5 МДж/м². У гофрованій багатопробочній пастці ГОЛ-3 плазма, яка взаємодіє з матеріалами, нагрівалась до температури 2…4 кеВ потужним релятивістським електронним пучком (0.8 MеВ, ~30 кA, ~12 мкс, ~120 кДж). Аналізується морфологія поверхні мішеней, що опромінені на КСПП та ГОЛ-3. Обговорюється розвиток тріщин й крапельна ерозія вольфраму.Представлены результаты исследований взаимодействия плазмы с поверхностью и поведения материалов при плазменных нагрузках, соответствующих граничным локализованным модам в ИТЭРе. Эксперименты проводились на установках КСПУ Х-50 (Харьков) и ГОЛ-3 (Новосибирск). Облучение на КСПУ проводилось повторяющимися импульсами длительностью 0,25 мс и плотностью энергии до 2,5 МДж/м². В гофрированной многопробочной ловушке ГОЛ-3 взаимодействующая с материалами плазма нагревалась до температуры 2…4 кэВ мощным релятивистским электронным пучком (0.8 MэВ, ~30 кA, ~12 мкс, ~120 кДж). Анализируется морфология поверхности мишеней, облученных на КСПУ и ГОЛ-3. Обсуждается развитие трещин и капельная эрозия вольфрама