Volframin kulkeutuminen JET:n alhaisen koossapitomoodin plasmojen kuorintakerroksessa

Abstract

Tungsten transport is studied in the scrape-off layer of L-mode plasmas in the JET tokamak using the simulation codes EDGE2D-EIRENE and DIVIMP. Predictions by the two codes are compared and differences are analyzed. Synthetic diagnostics of W I and W II line radiation are compared against spectroscopic measurements in the outer divertor. The background plasma conditions and tungsten ionization profile are simulated in EDGE2D-EIRENE and used as inputs to DIVIMP. Each code produces a solution for tungsten ion densities. The divertor conditions are varied through a density scan, yielding sheath-limited to partially detached plasma conditions. The tungsten source is physical sputtering from the divertor tiles, predominantly due to intrinsic beryllium ions and deuterium charge-exchange atoms. The predicted absolute W concentration in the core region varies from 10−5 in sheath-limited cases to 10−8 in partially detached cases. The bundling of W charge states in EDGE2D results in an approximately 30% lower average charge for tungsten ions in the scrape-off layer compared to DIVIMP. The sonic boundary condition used in EDGE2D for parallel impurity velocity at the targets agrees within a few percent with DIVIMP at low plasma densities, but in high-density cases W target velocity is up to 10 times higher in DIVIMP than in EDGE2D. Consequently, the W density at the target boundaries ranges from being the same to 10 times lower in DIVIMP compared to EDGE2D. Differences in the tungsten charge lead to stronger W forces and W accumulation in the upstream and core region in DIVIMP, leading to approximately 50% higher W content at low and intermediate plasma density. EDGE2D-EIRENE predicts that the main W I radiation source on the low-field side is near the outer vertical divertor, while spectroscopy in similar target and upstream plasma conditions shows a significantly stronger W I peak at the strike point. Earlier research suggests that the code-experiment discrepancy is largely explained by W sputtering due to beryllium ions at the strike point, which appears to be underestimated in the EDGE2D-EIRENE cases. The W II line intensity predicted by EDGE2D-EIRENE and DIVIMP is lower than experimentally observed by a factor of 2 in the far scrape-off layer and by a factor of 10 near the strike point.Työssä on tutkittu volframin kulkeutumista L-moodin plasmojen kuorintakerroksessa JET-tokamakissa käyttäen simulaatiokoodeja EDGE2D-EIRENE ja DIVIMP. Koodien ennusteita on verrattu keskenään ja eroavaisuuksia analysoitu. Synteettisiä diagnostiikkoja spektriviivoista W I ja W II on verrattu kokeellisiin spektroskooppisiin mittauksiin ulommassa diverttorissa. Taustaplasman olosuhteet ja volframin ionisaatioprofiili on simuloitu EDGE2D-EIRENE:lla ja tuloksia on käytetty DIVIMP:n syötteenä. Volframi-ionien kulkeutuminen on ratkaistu molemmilla koodeilla. Diverttorin olosuhteita on muunneltu plasman tiheyttä säätäen kalvorajoitetuista osittain irtaantuneisiin plasmoihin. Volframin lähteenä on sputterointi diverttorin laatoista, enimmäkseen berylliumionien ja varauksenvaihdossa muodostuvien deuteriumatomien vaikutuksesta. Ennustettu volframikonsentraatio plasman keskellä oli noin 10-5 kalvorajoitetuissa tapauksissa ja 10-8 osittain irtaantuneissa tapauksissa. Volframin varaustilojen niputus johti EDGE2D:ssä noin 30 % alhaisempaan keskimääräiseen volframi-ionien varaukseen kuorintakerroksessa kuin DIVIMP:ssä. Sooninen reunaehto EDGE2D:n kentänsuuntaiselle epäpuhtauksien virtausnopeudelle oli yhtäpitävä DIVIMP:n kanssa matalissa tiheyksissä, mutta korkean tiheyden tapauksissa volframin nopeus kohtioissa oli DIVIMP:ssä jopa kymmenkertainen EDGE2D:hen verrattuna. Vastaavasti volframitiheys kohtioiden lähellä vaihteli DIVIMP:ssä yhtä suuresta kymmenesosaan EDGE2D:hen verrattuna. Erot volframin varauksessa ja virtauksissa aiheuttivat vahvempia epäpuhtauksiin kohdistuvia voimia ja volframin kertymistä ylävirtaan ja plasman keskustaan DIVIMP:ssä, mikä johti noin 50 % korkeampaan volframisisältöön matalan ja keskitason tiheyden plasmoissa. EDGE2D-EIRENE ennusti matalan kenttäpuolen pääasiallisen W I -säteilylähteen olevan lähellä ulompaa pystydiverttoria, kun taas spektroskopia samankaltaisissa kohtion ja ylävirran plasmaolosuhteissa osoittaa huomattavasti suurempaa W I -huippua iskupisteessä. Aiemmat tutkimukset viittaavat koodin ja kokeiden välisten eroavaisuuksien selittyvän laajalti berylliumin aiheuttamalla volframin sputteroitumisella iskupisteessä, mitä EDGE2D-EIRENE-simulaatioissa ilmeisesti aliarvioitiin. EDGE2D-EIRENE:n ja DIVIMP:n ennustama W II -viivan intensiteetti oli noin puolet kokeellisesti havaitusta kaukaisessa kuorintakerroksessa ja vielä matalampi lähellä iskupistettä