Radiative divertor studies in JET high confinement mode plasmas

Loading...
Thumbnail Image
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
School of Science | Doctoral thesis (article-based) | Defence date: 2015-12-04
Checking the digitized thesis and permission for publishing
Instructions for the author
Date
2015
Major/Subject
Mcode
Degree programme
Language
en
Pages
124 + app. 84
Series
Aalto University publication series DOCTORAL DISSERTATIONS, 156/2015
Abstract
Controlled power exhaust is one of the key challenges in reactor scale fusion devices. These devices must maintain heat loads less than 10 MW/m2 at the plasma-facing materials (PFM), while producing gigawatts of fusion power. Furthermore, sufficiently low erosion of and fuel retention in PFMs are required to reach reactor relevant component duty cycles. The presently preferred solution to these challenges is to utilize tungsten PFMs with injection of extrinsic radiating impurities, such as nitrogen or neon. However, significant gaps do still exist in the technology and scientific understanding needed to fully rely that these devices will perform according to their design specifications. Predictive capability for these devices relies on model validation and physics interpretation studies conducted on existing fusion test reactors.  In this doctoral thesis, radiative divertor studies with nitrogen and neon injection are investigated experimentally and interpreted with the multi-fluid code package EDGE2D-EIRENE for high confinement mode plasmas in the JET tokamak. The studies include comparison of predicted and measured divertor conditions, investigations of the impact of PFMs and divertor geometry on the divertor performance, and comparison of divertor performance with nitrogen and neon injection. Furthermore, predictions for tungsten retention in the divertor chamber with the Monte-Carlo code DIVIMP were conducted.  When imposing the divertor radiation by impurities, the simulations capture the experimentally observed reduction of the low-field side (LFS) divertor peak heat load, radiated power, and their spatial distribution. However, consistent with earlier studies, the simulations underestimate the radiated power by deuterium, indicating a shortfall in the radiation from the fuel species. Due to similar radiative characteristics of nitrogen and carbon, the divertor radiation distributions observed in JET with carbon PFMs can be obtained with nitrogen seeding in JET with the ITER-like wall. Detachment is obtained at similar divertor radiation levels in both PFM configurations. Unexpectedly, divertor geometry is observed to have only a marginal impact on the reduction of the LFS heat load with increasing radiation. It is also observed that similar levels of LFS heat load reduction can be obtained at JET with either nitrogen or neon injection. However, unlike nitrogen radiation, a significant fraction of neon radiation is predicted to occur in the confined plasma, expected to reduce plasma performance. Furthermore, high density, low temperature divertor conditions are predicted to be beneficial for improving tungsten retention in the divertor of JET, and edge-localized modes (ELMs) are predicted to dominate tungsten erosion and leakage out of the divertor chamber in JET.

Lämmönsiirto on eräs keskeisimmistä fuusioreaktoreiden haasteista. Seinämien kuormat eivät saa ylittää 10 MW/m2 reaktoreiden tuottaessa useita gigawatteja fuusioenergiaa. Lisäksi seinämän eroosion sekä polttoaineen kertymisen reaktoriin täytyy olla riittävän hidasta, jotta toimintajakso huoltoseisokkien välissä on riittävän pitkä. Lupaavin ratkaisu näihin haasteisiin on käyttää volframia seinämämateriaalina ja suihkuttaa reaktoriin tehoa säteileviä epäpuhtauksia. Nykyisessä teknologisessa ja tieteellisessä ymmärryksessä on kuitenkin puutteita, eikä voida täysin luottaa siihen, että mallien avulla suunnitellut reaktorit suoriutuvat täysin tehtävistään. Ennusteet fuusioreaktoreille perustuvat laskentamallien validointiin ja fysiikan ilmiöiden tulkintaan olemassa olevilla fuusioreaktoreilla.  Tässä työssä tutkitaan sekä kokeellisesti että EDGE2D-EIRENE -koodipaketilla tehosäteilyä divertorilla JET-tokamakissa korkean koossapidon plasmoissa. Tutkimuksissa vertaillaan ennustettuja ja mitattuja diverttoriolosuhteita, tutkitaan seinämäkomponenttien materiaalien ja geometrian vaikutusta säteilevän diverttorin suorituskykyyn, sekä vertaillaan diverttorin suorituskykyä typpi- ja neonsuihkutuksella. Lisäksi volframin kulkeutumista on tutkittu ennustavilla Monte-Carlo simulaatioilla DIVIMP-koodia käyttäen.  Simulaatiot toistavat kokeellisesti havaitun diverttorisäteilyjakauman sekä teho- ja hiukkaskuorman vähenemisen matalan kentän puoleisella (LFS) diverttorilevyllä, mikäli kokeellisesti mitatut säteilytasot sovitetaan epäpuhtaussuihkutuksen avulla. Simulaatiot kuitenkin aliarvioivat deuteriumin aiheuttaman säteilyosuuden, kuten on havaittu aikaisemmissakin tutkimuksissa. Hiilen ja typen samankaltaisista säteilyominaisuuksista johtuen JET-tokamakin täyshiiliseinällä havaitut säteilyjakaumat voidaan toistaa typpisuihkutuksella JETin ITER-seinämä -kokeissa. Diverttoriplasman erkaantuminen saavutetaan samoilla säteilytasoilla molemmilla seinämämateriaaleilla. Vastoin odotuksia diverttorigeometrialla havaittiin olevan vain vähän vaikutusta LFS-diverttorilevyn lämpökuormituksen vähenemiseen säteilyn kasvaessa. Lisäksi samankaltaiset diverttorin lämpökuormituksen vähenemiset havaitaan sekä typpi- että neonsuihkutuksella. Toisin kuin typpisäteily, merkittävä osa neonsäteilystä kuitenkin tapahtuu koossapidetyn plasman puolella, minkä uskotaan heikentävän plasman suorituskykyä. Lisäksi korkean tehon ja matalan lämpötilan diverttoriolosuhteet on laskentamallien mukaan eduksi volframin pitämiseksi diverttorikammiossa. Reunamoodit (ELMs) dominoivat laskentamalleissa volframin eroosiota ja kulkeutumista ulos diverttorikammiosta JET-tokamakissa.
Description
Supervising professor
Groth, Mathias, Prof., Aalto University, Department of Applied Physics, Finland
Thesis advisor
Groth, Mathias, Prof., Aalto University, Department of Applied Physics, Finland
Keywords
fusion, tokamak, impurities, power exhaust, divertor, radiation, fuusio, epäpuhtaudet, lämmönsiirto, diverttori, säteily
Other note
Parts
  • [Publication 1]: A.E. Jaervinen, S. Brezinsek, C. Giroud, M. Groth, C. Guillemaut, P. Belo, M. Brix, G. Corrigan, P. Drewelow, D. Harting, A. Huber, K. Lawson, B. Lipschultz, C.F. Maggi, G.F. Matthews, A.G. Meigs, D. Moulton, M.F. Stamp, S. Wiesen, and JET contributors. Impact of divertor geometry on radiative divertor performance in JET H-mode plasmas. PlasmaPhysics and Controlled Fusion, Submitted, August 2015.
  • [Publication 2]: A.E. Jaervinen, C. Giroud, M. Groth, P. Belo, S. Brezinsek, M. Beurskens, G. Corrigan, S. Devaux, P. Drewelow, D. Harting, A. Huber, S. Jachmich, K. Lawson, B. Lipschultz, G. Maddison, C.F. Maggi, C. Marchetto, S. Marsen, G.F. Matthews, A.G. Meigs, D. Moulton, B. Sieglin, M.F. Stamp, S. Wiesen, and JET Contributors. Comparison of H-mode Plasmas in JET-ILW and JET-C with and without Nitrogen Seeding. Nuclear Fusion, Submitted, August 2015.
  • [Publication 3]: A.E. Jaervinen, M. Groth, M. Airila, P. Belo, M. Beurskens, S. Brezinsek, M. Clever, G. Corrigan, S. Devaux, P. Drewelow, T. Eich, C. Giroud, D. Harting, A. Huber, S. Jachmich, K. Lawson, B. Lipschultz, G. Maddison, C.F. Maggi, T. Makkonen, C. Marchetto, S. Marsen, G.F. Matthews, A.G. Meigs, D. Moulton, M.F. Stamp, S. Wiesen, M. Wischmeier, and JET-EFDA collaborators. Interpretation of radiative divertor studies with impurity seeding in type-I ELMy H-mode plasmas in JET-ILW using EDGE2D-EIRENE. Journal of Nuclear Materials, 463, 135 – 142, 2015.
    DOI: 10.1016/j.jnucmat.2014.10.047 View at publisher
  • [Publication 4]: A.E. Jaervinen, S. Brezinsek, C. Giroud, M. Groth, C. Guillemaut, P. Belo, M. Brix, G. Corrigan, P. Drewelow, D. Harting, A. Huber, K. Lawson, B. Lipschultz, C.F. Maggi, G.F. Matthews, A.G. Meigs, D. Moulton, M.F. Stamp, S.Wiesen, and JET contributors. Interpretation of partially detached divertor operation with and without impurity seeding in JET with EDGE2D-EIRENE. In 42nd EPS conference on Plasma Physics, 22 – 26 June, 2015.
  • [Publication 5]: A. Järvinen, M. Groth, D. Moulton, J.D. Strachan, S. Wiesen, P. Belo, M.N.A. Beurskens, G. Corrigan, T. Eich, C. Giroud, E. Havlickova, S. Jachmich, M. Lehnen, J. Lönnroth, D. Tskhakaya, and JET-EFDA contributors. Simulations of tungsten transport in the edge of JET ELMy H-mode plasmas. Journal of Nuclear Materials, 438, S1005 – S1009, 2013.
    DOI: 10.1016/j.jnucmat.2013.01.219 View at publisher
  • [Publication 6]: A. Järvinen, C. Giroud, M. Groth, K. Krieger, D. Moulton, S. Wiesen, S. Brezinsek, and JET-EFDA contributors. DIVIMP simulations of W transport in the SOL of JET H-mode plasmas. Physica Scripta, T145, 014013, 2011.
    DOI: 10.1088/0031-8949/2011/T145/014013 View at publisher
Citation