Role of hydrogenic molecules in fusion-relevant divertor plasmas

Loading...
Thumbnail Image
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
School of Science | Doctoral thesis (article-based) | Defence date: 2022-09-09
Date
2022
Major/Subject
Mcode
Degree programme
Language
en
Pages
78 + app. 58
Series
Aalto University publication series DOCTORAL THESES, 106/2022
Abstract
Power production using magnetic confinement fusion is technically challenging and necessitates operation under detached divertor conditions. Under detached conditions the power loads to the plasma-facing components are reduced within their thermo-mechanical properties. Molecular processes are critical at temperatures relevant to onset of plasma detachment. Therefore, molecules are expected to affect the local plasma conditions and the onset of detachment. This dissertation evaluates the role of molecular effects on the onset of detachment using a fluid model for molecules implemented in the edge-fluid code UEDGE coupled to the collisional-radiative (CR) code CRUMPET. The applicability of the molecular fluid model is assessed using the kinetic neutral Monte-Carlo code EIRENE. To assess the validity of the predictions, and to quantify the role of molecular particle and power sinks on the onset of detachment, the numerical UEDGE predictions are compared to Divertor Thomson Scattering (DTS) and Langmuir probe measurements in DIII–D low-confinement (L-mode) plasmas. Including fluid molecules in UEDGE simulations of deuterium plasmas in L-mode conditions improves the qualitative code-experiment agreement for detachment onset compared to UEDGE simulations considering atoms only. Accounting for molecularly-induced plasma particle and power sinks in the simulations reduces the plasma temperatures sufficiently for detachment onset to occur. The role of electronic and vibrational CR transitions are shown to be more important for the effective CR dissociation rates than the assumption of ion-electron thermal equilibration and non-local transport effect of vibrationally excited molecules. Omitting vibrational and electronic transitions from EIRENE simulations decrease effective dissociation rates by up to 65% compared to when they are included. UEDGE fluid predictions of molecular content and mean energy are shown to lie within 15% and a factor of 2 of EIRENE kinetic predictions, respectively. These findings indicate that a fluid treatment of the molecules in divertor plasmas is applicable for divertor-relevant conditions. Using fluid molecular models in plasma-edge simulations reduces the computational times compared to kinetic molecular models, especially under highly collisional conditions encountered in detached divertor plasmas. The effect of approximating the molecules as a fluid is found to be smaller than that of other processes affecting molecular predictions, such as the CR processes included in the effective rates. The dissertation suggests a number of improvements to the implemented molecular fluid model to further reduce the difference between kinetic and fluid molecular models.

Energiproduktion med magnetisk inneslutningsfusion är tekniskt utmanande och förutsätter frigjorda (detached, egen övers.) plasma för att sänka effekten som når de plasmautsatta komponenterna till acceptabla nivåer. Molekylära processer är relevanta vid temperaturer associerade med plasmats frigörning från reaktorns innervägg. Denna avhandling utvärderar de molekylära processernas roll i plasmats frigörning med hjälp av en molekylär vätskemodell som implementerats i plasmakoden UEDGE som kopplats till den kollisionsradiativa (collisional-radiative, CR, egen övers.) koden CRUMPET. Tillämpligheten av den molekylära vätskemodellen utvärderas med hjälp av den kinetiska koden EIRENE, som simulerar transport av neutrala partiklar. Validiteten av UEDGE-simuleringarna och molkylernas roll i plasmats frigörning utvärderas genom att jämföra förutsägelser för s.k. L-mode deuteriumplasma i tokamaken DIII–D med mätresultat från en s.k. Divertor Thomson-Scattering (DTS) spektrometer och från Langmuirsonder. Den molekylära vätskemodellen förbättrar den kvalitativa jämförbarheten mellan UEDGE-simuleringar och DIII-D L-mode deuteriumexperiment jämfört med UEDGE-simuleringar som inte beaktar molekyler. Partikel- och energiförluster som orsakas av molekylära processer leder till en sänkning av plasmatemperaturen och plasmats frigörning i simuleringarna. Elektroniska och vibrationella övergångar påvisas ha en större inverkan på den effektiva CR-dissociationsraten än antagandet att plasmats elektroner och joner är i termisk jämnvikt eller icke-lokal transport av vibrationsexciterade molekyler. Den effektiva dissociationsraten minskade med 65% i EIRENE-simuleringar då elektroniska och vibrationella övergångar utelämnades jämfört med då de beakteades. Förutsägelser av molekylernas antal och medelenergi i UEDGE-simuleringar med den molekylära vätskemodellen ligger inom 15% respektive en faktor 2 av förutsägelser av kinetiska EIRENE-simuleringar. Denna överrensstämmelse antyder att en molekylär vätskemodell kan vara tillämpbar för divertorrelevanta plasma. En vätskemodell för molekyler har kortare beräkningstid jämfört med kinetiska modeller för molekyler, säsrkilt i frigjorda plasma. Inverkan av att approximera molekylerna som en vätska är mindre än inverkan av andra processer som påverkar molekylära förutsägelser, exempevis vilka CR-processer som beaktas då de effektiva reaktionsraterna beräknas. Avhandlingen presenterar ett antal förbättringsförslag för den implementerade molekylära vätskemodellen för att ytterligare minska skillnaden mellan de kinetiska modellerna och de molekylära vätskemodellerna.
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
plasma physics, fusion, detachment, molecules, collisional-radiative model
Other note
Parts
  • [Publication 1]: A. Holm, P. Börner, T.D. Rognlien, W.H. Meyer, and M. Groth, “Comparison of a collisional-radiative fluid model of H2 in UEDGE to the kinetic neutral code EIRENE”, Nuclear Materials and Energy 27 (2021) 100982.
    Full text in Acris/Aaltodoc: http://urn.fi/URN:NBN:fi:aalto-202106027169
    DOI: 10.1016/j.nme.2021.100982 View at publisher
  • [Publication 2]: A. Holm, T.D. Rognlien, and W.H. Meyer, “Implementation and assessment of an extended hydrogenic molecular model in UEDGE”,Contributions to Plasma Physics 60 (2020) e201900150.
    DOI: 10.1002/ctpp.201900150 View at publisher
  • [Publication 3]: A. Holm, M. Groth, and T.D. Rognlien, “Assessing ion–electron thermal equilibration in the scrape-off layer of tokamaks using UEDGE”,Contributions to Plasma Physics 58 (2018) 547.
    DOI: 10.1002/ctpp.201700152 View at publisher
  • [Publication 4]: A. Holm, D. Wünderlich, M. Groth, and P. Börner, “Impact of vibrationally resolved H2 on particle balance in Eirene simulations”, Contributions to Plasma Physics (2022) e202100189.
    Full text in Acris/Aaltodoc: http://urn.fi/URN:NBN:fi:aalto-202203032053
    DOI: 10.1002/ctpp.202100189 View at publisher
  • [Publication 5]: A. Holm, M. Groth, and T.D. Rognlien, “UEDGE-predicted impact of molecules on low-field side target detachment in DIII–D”, NuclearMaterials and Energy 19 (2019) 143.
    Full text in Acris/Aaltodoc: http://urn.fi/URN:NBN:fi:aalto-201903112202
    DOI: 10.1016/j.nme.2019.01.019 View at publisher
Citation