Two-point model and OEDGE simulations of the scrape-off layer for attached JET-ILW L-mode plasmas

Abstract

Due to the severe nature of plasma-solid interactions, the separation of the two states of matter is of interest in fusion research. In diverted tokamaks, the core plasma is magnetically separated from the reactor vessel, with plasma-solid interactions restricted to a thin and cold region of plasma known as the scrape-off layer (SOL). The scrape-off layer is inherently connected to the erosion of the vessel's surfaces and transport of impurities to the core plasma, and as such, understanding the phenomena of the SOL is vital for developing fusion energy.

Two 1D fluid models, the analytic two-point model and the numerical code OEDGE, are used to predict and understand the SOL of the JET ITER-Like-Wall tokamak in attached low-recycling and high-recycling conditions in low-confinement mode plasmas with boundary conditions to the models given by measurements from the low-field side (LFS) target. The sensitivity of the models on the boundary conditions is examined by considering different ion temperature profiles at the target, as well as different shifts to the position of the LFS strike point.

Electron temperature from both models is found to agree strongly with measurements in both conditions. The limitations of 1D modeling are demonstrated for the plasma parameter electron density, for which in low-recycling conditions an unphysical dip towards the separatrix is predicted. In high-recycling conditions, the density at the separatrix is overestimated by a factor 2 due to the absence of radial transport mechanisms.

Plasman ja kiinteiden aineiden vuorovaikutukset ovat tyypillisesti epävakaita, minkä vuoksi materiaalipintojen eristäminen plasmasta on merkittävä osa-alue plasmafysiikan ja etenkin fuusioteknologian tutkimuksessa. Divertoiduissa tokamakeissa ydinplasma eristetään magneettisesti reaktoriastiasta, jolloin plasman ja materiaalipintojen vuorovaikutukset rajoittuvat kylmälle ja ohuelle plasmakerrokselle, jota kutsutaan raapaisukerrokseksi (eng. scrape-off layer, SOL). Raapaisukerros on suoraan yhteydessä materiaalipintojen eroosioon ja epäpuhtauksien kulkeutumiseen ydinplasmaan, ja siksi raapaisukerroksen ilmiöiden ymmärtäminen on välttämätöntä fuusioenergian kehityksen kannalta.

Tässä kandidaatintyössä JET-ILW -tokamakin raapaisukerrosta mallinnetaan yksiulotteisesti analyyttisellä kaksi-pistemallilla ja numeerisella OEDGE-koodilla matalan ja korkean kierrättymisen olosuhteissa matalan hallussapidon plasmoissa. Mallien reunaehdot annettiin mittauksista reaktorin ulommalta kohdelevyltä ja niiden vaikutusta mallien tulosten herkkyyteen tutkittiin siirtämällä mittausprofiilia radiaalisesti vaihtelevilla määrillä sekä muuttamalla reunaehtojen ionilämpötilaprofiileja. Molempien mallien ennustama elektronilämpötila vastaa mittaustuloksia kummassakin tässä kandissa tutkitussa tapauksessa.

Mallien ennustama elektronitiheys kuitenkin osoittaa yksiulotteisen mallintamisen heikkoudet, sillä matalan kierrättymisen olosuhteissa mallit ennustavat elektronitiheyden laskevan välittömästi ydinplasmaa kohden ja korkean kierrättymisen olosuhteissa mallit yliarvioivat tiheyden kertoimella kaksi.