Electron Bernstein waves emission in the TJ-II Stellarator

Taking advantage of the electron Bernstein waves heating (EBWH) system of the TJ-II stellarator, an electron Bernstein emission (EBE) diagnostic was installed. Its purpose is to investigate the B-X-O radiation properties in the zone where optimum theoretical EBW coupling is predicted. An internal movable mirror shared by both systems allows us to collect the EBE radiation along the same line of sight that is used for EBW heating. The theoretical EBE has been calculated for different orientations of the internal mirror using the TRUBA code as ray tracer. A comparison with experimental data obtained in NBI discharges is carried out. The results provide a valuable information regarding the experimental O-X mode conversion window expected in the EBW heating experiments. Furthermore, the characterization of the radiation polarization shows evidence of the underlying B-X-O conversion process.Comment: 21 pages, 14 figure

A multi-scale hybrid approach to the modelling and design of a novel micro-channel cooling structure for the W7X divertor

The second operating phase of the W7X stellarator, with an expanded set of plasma-facing components, includes the test of divertor tiles with a continuous heat load reaching 10 MW/ m2. The divertor tiles are cooled by subcooled water. Here a novel cooling concept, based on a network of parallel arrays of micro-channels (MC) with sub-millimetre dimensions, is investigated on a 0.1 m x 0.1 m tile, realizable by Additive Manufacturing. Detailed CFD simulations of the mock-up are performed to check the cooling uniformity using a multi-scale approach, aiming at limiting the dimension of the computational grid without a major loss of accuracy. First, the detailed hydraulic and thermal characterization on a sub-domain with of a small group of MC is performed. Then, the block of MC is substituted with an equivalent porous strip (PS), calibrating the hydraulic and thermal characteristics of the porous medium. The model is verified on an array of MCs or PSs connected to the same manifolds, showing the capability to reproduce the pressure drop and temperature increase with maximum errors of 1.05% and similar to 20% in nominal conditions, respectively. The numerical model of the entire tile equipped with PSs is then reliably adopted to evaluate the thermal-hydraulic performance of the cooling device

Microwave stray radiation losses in vacuum windows

Vacuum windows are required in magnetically confined fusion experiments to provide possibilities to observe the plasma in a wide range of electromagnetic wavelengths. The window disk consists of a dielectric, e.g. Fused Silica (SiO$_2$), Sapphire or Chemically Vapourised Diamond (CVD). As electromagnetic waves pass through the disk, a fraction of the beam power is dissipated resulting in a temperature increase of the disk. In Electron Cyclotron Waves (ECW) heated plasmas the dissipation in the window disk can be very high. The computation of dielectric losses for a collimated beam with known incidence angle, polarisation and loss tangent (measure for the intrinsic dielectric loss) is well established. However, the dielectric losses in diagnostic windows mostly result from microwave stray radiation, which results from a modest, but inevitable, fraction of non-absorbed ECW. This fraction diffuses in the vessel by many reflections into rays with random k-vector and with random polarisation. In this work the thermal load on the window disk by microwave stray radiation is assessed. The load by a collimated beam is studied as a function of incidence angle and polarisation allowing to average over a distribution of incident rays. An experiment was commissioned measuring the loss tangent of a number of commercially available SiO$_2$ disks at low power in an open resonator, and subsequently measuring the dielectric heating of these disks at high power stray radiation using the facility ’MISTRAL’ at Wendelstein-7X. The experimental results are compared to modelling and it is demonstrated that, in the parameter range considered, single-pass fractional absorption may be applied while taking a safety margin that arises from the minima and maxima due to multiple reflections

ECR heating on the WEGA stellarator

The plasma in the WEGA stellarator is generated and heated by Electron Cyclotron Resonance Heating (ECRH). The microwave is emitted from the low field side mid-plane with power of up to 6+20 kW and with a frequency of 2.45GHz (λ=12.45 cm). The low cut-off density of ncutoff=7.5×10¹⁶m⁻³ makes ECRH on the WEGA stellarator inefficient in both O-mode and X-mode regime. This was confirmed in the first experimental campaign by perpendicular launch of the microwave with a TE11 antenna. In these experiments only edge heating was observed. Density and temperature profiles were hollow [1]. For the over dense plasma heating, mode conversion into the electrostatic electron Bernstein waves (EBW) is required. Two schemes have been tested: the direct X-B (X-mode to Bernstein mode) conversion, where an X-wave must be launched perpendicular to the magnetic field into an over dense plasma with a steep density gradient. In these experiments the strong reflection of the microwave power at the cut-off layer prohibited efficient plasma heating. Another possibility is the O-X-B conversion scheme [2]. The methods of its achievement with different antennas are the subject of this paper.Плазма у стеллараторі WEGA утворюється та нагрівається за допомогою НВЧ-нагріву на електронно- циклотронній частоті (ЕЦР). Ввід НВЧ-енергії здійснюється із зовнішнього боку тору у його екваторіальній площині, на частоті 2.45 ГГц (λ=12.45 см) та з максимальною потужністю до 26 кВт. Низька критична щільність плазми для цієї частоти (ncutoff=7.5×10¹⁶м⁻³ ) робить традиційний ЕЦР-нагрів неефективним, як у режимі «Звичайної» (З-хвиля), так і у режимі «Незвичайної» хвилі (Н-хвиля), що було підтверджено у ході першої експериментальної кампанії, коли НІЧ-енергія вводилась перпендикулярно силовим лініям магнітного поля за допомогою циліндричного ТЕ11 хвилеводу. У цих експериментах спостерігався нагрів периферичної плазми, профілі щільності та температури мали порожній характер [1]. Для нагріву плазми з щільністю вище щільності відсічки необхідна трансформація в електростатичну Бернштейн хвилю (ЕБХ). Два сценарії нагріву було випробувано на установці: перший з трансформацією Н-хвилі у ЕБХ, в цьому випадку Н-хвиля повинна бути введена перпендикулярно магнітному полю в плазму з щільністю, яка перевищує критичну. У цих експериментах сильне відбиття НВЧ-енергії у шарі відсічки перешкоджало ефективному нагріву плазми. У другому випадку використовується сценарій з подвійною конверсією спочатку З-хвилі у Н-хвилю з наступною трансформацією Н-хвилі в ЕБХ [2]. Методи реалізації такого сценарію і є темою цієї роботи.Плазма в стеллараторе WEGA создается и нагревается при помощи СВЧ-нагрева на электронно- циклотронной частоте (ЭЦР). Ввод СВЧ-энергии производится с внешней стороны тора в его экваториальной плоскости на частоте 2.45 ГГц (λ=12.45 см) и с максимальной мощностью до 26 кВт. Низкая критическая плотность плазмы для данной частоты (ncutoff=7.5×10¹⁶м⁻³ ) делает традиционный ЭЦР-нагрев неэффективным, как в режиме «обыкновенной» (О-волна), так и в режиме «необыкновенной» волны (Н-волна), что было подтверждено в ходе первой экспериментальной кампании, когда СВЧ-энергия вводилась перпендикулярно силовым линиям магнитного поля при помощи цилиндрического ТЕ11 волновода. В этих экспериментах наблюдался нагрев периферийной плазмы, профили плотности и температуры имели полый характер [1]. Для нагрева плазмы с плотностью, выше плотности отсечки, необходима трансформация в электростатическую Бернштейн волну (ЭБВ). Два сценария нагрева были протестированы на установке: первый с непосредственной трансформацией Н-волны в ЭБВ, в этом случае Н-волна должна быть запущена перпендикулярно магнитному полю в плазму с плотностью, превышающей критическую. В этих экспериментах сильное отражение СВЧ- энергии в слое отсечки препятствовало эффективному нагреву плазмы. Во втором случае используется сценарий с двойной конверсией сначала О-волны в Н-волну с последующим превращением Н-волны в ЭБВ[2]. Методы реализации такого сценария и есть тема настоящей работы