UEDGE-predicted impact of molecules on plasma detachment in DIII-D

Loading...
Thumbnail Image

URL

Journal Title

Journal ISSN

Volume Title

Perustieteiden korkeakoulu | Master's thesis

Date

2018-05-08

Department

Major/Subject

Engineering physics, Advanced Energy Technologies track

Mcode

SCI3056

Degree programme

Master’s Programme in Engineering Physics

Language

en

Pages

70+0

Series

Abstract

Future fusion power plants will operate in detached divertor conditions to reduce the power loads to the divertor targets to acceptable levels. The onset of divertor detachment is experimentally observed at lower separatrix densities than predicted by simulations, which may potentially be explained by molecular effects. This thesis investigates the impact of including molecules on divertor detachment in DIII-D low-confinement mode plasmas using the edge fluid code UEDGE. Parameter scans in electron separatrix density are carried out for deuterium plasmas with intrinsic carbon impurities. Corresponding scans are carried out with diffusive fluid, deuterium molecules with varying, but spatially constant temperatures included in UEDGE. The model considers molecular dissociation, where the dissociation energy is extracted from the electron energy equation. The Franck-Condon energy is returned through the atom energy equation. The scans were evaluated in configurations with the ion ∇B drift in the direction of the lower divertor excluded and included. The simulations were compared to assess the effect of molecules and drifts on the separatrix density required for outer divertor detachment. Including molecules, but excluding cross-field drifts, resulted in a 25% reduction in separatrix density required for detachment onset. This is an effect of dissociative cooling of the electrons. Increasing the molecular temperature from 0.025 eV to 1 eV was found to shift the onset of plasma detachment to 9% higher separatrix densities. Increasing the molecular temperature increases the total power in the domain, which causes the increase in separatrix density required for detachment. Including drifts increased the separatrix density for detachment by 10%, for the no-molecule simulations. This effect is due to cross-field drifts causing divertor asymmetries toward the inner divertor leg. For the simulations including molecules and considering drifts, a stable, high-density, radiative region formed inside the core domain for for separatrix densities above 1.6×10^19 per cubic meter. No increase in separatrix density for divertor detachment was observed. The radiating region inside the core domain is due to drift-driven flows increasing the densities inside the core domain where the strongly radiating impurities become confined. The thesis shows that molecular effects have a pronounced role on divertor detachment in UEDGE. However, further investigations are required to assess the validity of the constants used in the UEDGE molecular model.

Framtidens fusionskraftverk kommer verka under förhållanden då plasman är lösgjord från divertorn, och divertorns värmebelastning reducerats markant. Experimentellt observerade separatrix-densiteter för plasmans lösgörande är lägre än vad som förutses av fluid-simulationer, och kan delvis vara ett resultat av molekylära processer. Detta arbete utvärderar molekylers inverkan på plasmans lösgörande i svagt sammanhållna DIII-D plasman med hjälp av multifluidkoden UEDGE. Plasmans egenskaper undersöks som funktion av elektronernas separatrix-densitet för deuterium-plasman med kolorenheter. Simulationer utförs i UEDGE med diffunderande, fluida deuterium-molekyler med olika, i rymden konstanta, temperaturer exkluderade samt inkluderade. Den molekylära modellen i UEDGE beaktar dissociation av molekyler till två atomer, som minskar elektronfluidens energi med dissociationsenergin. Atomfluidens energi ökar med Franck-Condon energin i dissociationsprocessen. Simulationerna utförs med jonernas ∇B-strömningar i riktning mot den nedre divertorn exkluderade samt inkluderade. Simulationernas resultat jämförs och molekylernas samt strömningarnas effekt på plasmans lösgörande från den yttre divertorn utvärderas. Separatrix-densiteten för lösgörande minskar med 25% då molekyler inkluderas, för de strömningsfria simulationerna. Detta är ett resultat av elektronernas dissociativa energiförlust. Då molekylernas temperatur ökas från 0.025 eV till 1 eV ökar separatrix-densiteten för plasmans lösgörande med 9%. En ökning i molekylernas temperatur resulterar i en ökning av plasmans totala energi, som leder till högre separatrix-densiteter för plasmans lösgörande. Då strömningar beaktas ökar separatrix-densiteten för lösgörande med 10%, för simulationer exkluderande molekyler. Detta beror på en asymmetrisk förskjutning av plasmans densitet mot den inre divertorn orsakad av strömningarna. För simulationer som inkluderar molekyler och strömningar uppstår en stabil, starkt radiativ region med hög densitet i kärnan då separatrix-densiteten överskrider 1.6×10^19 per kubikmeter. Ingen förändring i separatrix-densiteten för plasmans lösgörande observeras. Den radiativa regionen är ett resultat av strömningar, som ökar densiteten i plasmans kärna var radiativa orenheter fängslas. Atbetets slutsats är att molekylära processer har en uppenbar inverkan på plasmans lösgörande i UEDGE. Dock bör vidare arbeten undersöka huruvida de konstanter som används i UEDGE är välgrundade.

Description

Supervisor

Groth, Mathias

Thesis advisor

Groth, Mathias

Keywords

molecules, plasma detachment, divertor, plasma, fusion

Other note

Citation