Spectroscopic measurements of impurity migration, deposition and fuel retention in fusion devices
Loading...
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
School of Science |
Doctoral thesis (article-based)
| Defence date: 2018-05-25
Unless otherwise stated, all rights belong to the author. You may download, display and print this publication for Your own personal use. Commercial use is prohibited.
Author
Date
2018
Major/Subject
Mcode
Degree programme
Language
en
Pages
202 + app. 30
Series
Aalto University publication series DOCTORAL DISSERTATIONS, 88/2018
Abstract
Understanding impurity transport in the scrape-off layer (SOL) plasma in tokamak fusion devices is essential in predicting the retention of the fusion fuel on the plasma-facing surfaces – especially in ITER and future reactors, where the fuel mixture contains radioactive tritium. Therefore, diagnostics methods for measuring the SOL plasma flows and monitoring the amount and spatial distribution of the retained fuel are required. Plasma flows were inferred indirectly in the high-field side (HFS) SOL of the ASDEX Upgrade tokamak by means of Doppler spectroscopy of injected nitrogen (N) ions. The measurements were performed in low-power L-mode discharges with different degrees of HFS divertor detachment. The results suggest impurity flows away from the HFS divertor in the near SOL in high-recycling conditions and towards the HFS divertor across the SOL in detached conditions. The physical phenomena driving the SOL flows of deuterium (D) on the HFS were studied by the SOLPS 5.0 code in a generic density and power scan. The near-SOL flows were found to correlate with the poloidal SOL pressure asymmetries. As measured for N ions, reversal of the near-SOL flow was observed in high-recycling conditions, coinciding with the dominance of HFS pressure over the low-field side (LFS) pressure. The HFS pressure peak was built up as a combination of localized ionization of the recycled D and drift-driven radial transport. At high input powers, the reversal of the flow spread also into the far SOL due to radial momentum transport. Despite the qualitative agreement between the measured N and simulated D flow patterns, ERO simulations of the N2 injection suggested poor entrainment of the N ions with the D flow and inadequate quantitativity of the measurements. The description of the detachment of the HFS divertor in SOLPS 5.0 was improved by applying a convection-dominated radial ion transport model, mimicking non-diffusive radial transport phenomena. This resulted in improved confinement of the high-field side high-density front in the HFS divertor in agreement with spectroscopic measurements, allowing to increase the neutral fuelling with the D2 injection in the experiment. Consequently, the significant decrease of the HFS target ion flux in detachment was reproduced, consistent with the target probe measurements. Applicability of laser-induced breakdown spectroscopy (LIBS) for in situ monitoring of fuel retention in ITER was investigated by studying different ITER-relevant samples containing beryllium (Be) with an experimental set-up built at VTT Technical Research Centre of Finland. The retained D was distinguished from hydrogen in vacuum and at low ambient pressures, while the distinction could not be made at atmospheric pressures, planned for measurements in ITER, due to line broadening. LIBS was also successfully used for determining the relative concentrations of Be and W in a mixed coating and the qualitative deposition profiles of Be and D across the HFS divertor of the JET tokamak in agreement with secondary ion mass spectrometry (SIMS).Epäpuhtauksien kulkeutumisen tuntemus tokamak-fuusioreaktoreiden reunaplasmassa (scrape-off layer, SOL) on tärkeää fuusiopolttoaineen loukkuuntumisen ennustamisen kannalta – erityisesti ITERissä ja tulevaisuuden reaktoreissa, joissa osa polttoaineesta on radioaktiivista tritiumia. Tämä asettaa vaatimuksen diagnostiikkamenetelmien kehittämiselle SOL-plasmavirtausten mittaamiseksi ja loukkuuntuneen polttoaineen määrän ja sijoittumisen valvomiseksi. Plasmavirtauksia mitattiin epäsuorasti korkean kentän puolen (high-field side, HFS) SOL:ssa ASDEX Upgrade –tokamakissa käyttäen Doppler-spektroskopiaa injektoiduille typpi-ioneille (N). Mittaukset suoritettiin matalan tehon L-moodipurkauksissa eriasteisilla HFS-diverttorin erkaantumisilla. Tulokset viittasivat lähi-SOL:n epäpuhtausvirtauksiin poispäin HFS-diverttorista korkean kierrätyksen oloissa ja virtaukseen kohti HFS-diverttoria erkaantuneissa oloissa. Deuteriumin (D) HFS SOL –virtauksia ajavia fysikaalisia ilmiöitä tutkittiin tiheys- ja tehoskannauksilla SOLPS 5.0 -koodilla. Lähi-SOL:ssa virtausten havaittiin korreloivan SOL-plasman paine-epäsymmetrioiden kanssa. Kuten mittauksissa havaittiin N-ioneille, virtausten suunta kääntyi lähi-SOL:ssa korkean kierrätyksen oloissa, jolloin HFS-paine dominoi poloidaalista jakaumaa. HFS-painehuippu muodostui kierrättyneen D:n paikallisen ionisaation ja plasman radiaalisten ajautumisten yhdistelmänä. Korkeilla tehoilla virtauksen suunnanmuutos ilmeni myös kauko-SOL:ssa radiaalisen liikemääräkulkeutumisen vuoksi. Vaikka mitatut N- ja simuloidut D-virtaukset käyttäytyivät kvalitatiivisesti samalla tavalla, N2-injektion ERO-simulaatiot viittasivat N-ioneiden huonoon tasapainottumiseen D-virtauksen kanssa ja mittausten riittämättömään kvantitatiivisuuteen. HFS-diverttorin erkaantumisen kuvausta SOLPS 5.0:ssa parannettiin käyttämällä lähes täysin konvektiivista mallia radiaaliselle ionikulkeutumiselle imitoiden epädiffuusiivisia kulkeutumisilmiöitä. Tämä paransi HFS-puolen korkean tiheyden alueen koossapitoa HFS-diverttorissa spektroskopisten mittausten mukaisesti ja salli neutraalin D2-polttoaineinjektion kasvattamisen kokeellisten arvojen mukaisesti. Tämän seurauksena erkaantumisen yhteydessä havaittu HFS-kohtion ionivuon merkittävä pieneneminen saavutettiin koetulosten mukaisesti. Laserindusoidun plasmaspektroskopian (laser-induced breakdown spectroscopy, LIBS) soveltuvuutta polttoaineen loukkuuntumisen in situ –valvontaan ITERissä tarkasteltiin tutkimalla erilaisia ITER-relevantteja berylliumpitoisia näytteitä VTT:n tiloihin rakennetulla koelaitteistolla. Loukkuuntunut D erotettiin vedystä tyhjössä ja matalissa paineissa, kun taas ilmanpaineessa, jossa ITERin mittaukset on suunniteltu tehtävän, spektriviivojen leveneminen esti erottamisen. Myös sekamateriaalipinnoitteen suhteelliset Be- ja W-pitoisuudet sekä Be:n ja D:n kvalitatiiviset kerrostumaprofiilit JET-tokamakin HFS-diverttorissa määritettiin LIBS:llä yhtenevästi sekundääri-ionimassaspektrometriamittausten (SIMS) kanssa.Description
Supervising professor
Tuomisto, Filip, Prof., Aalto University, Department of Applied Physics, FinlandThesis advisor
Hakola, Antti, Dr., VTT Technical Research Centre of Finland, FinlandKeywords
fusion, scrape-off layer, plasma flow, detachment, spectroscopy, fuel retention, fuusio, reunaplasma, plasmavirtaus, diverttori, spektroskopia, loukkuuntuminen
Other note
Parts
-
[Publication 1]: J. Karhunen, M. Groth, P. Heliste, T. Pütterich, E. Viezzer, D. Carralero, D. Coster, L. Guimarais, A. Hakola, V. Nikolaeva, S. Potzel and the ASDEX Upgrade Team. Measurement of N+ flows in the high-field side scrape-off layer of ASDEX Upgrade with different degrees of inner divertor detachment. Nuclear Materials and Energy, 12 935–941, 2017.
DOI: 10.1016/j.nme.2017.02.020 View at publisher
- [Publication 2]: J. Karhunen, A. Hakola, J. Likonen, A. Lissovski, P. Paris, M. Laan, K. Piip, C. Porosnicu, C.P. Lungu, K. Sugiyama. Development of laserinduced breakdown spectroscopy for analyzing deposited layers in ITER. Physica Scripta, T159 014067, 2014.
-
[Publication 3]: J. Karhunen, A. Hakola, J. Likonen, A. Lissovski, M. Laan and the JET EFDA Contributors. Applicability of LIBS for in situ monitoring of deposition and retention on the ITER-like wall of JET — Comparison to SIMS. Journal of Nuclear Materials, 463 931–935, 2015.
DOI: 10.1016/j.jnucmat.2014.10.028 View at publisher
-
[Publication 4]: M. Suchonová, P., Veis, J. Karhunen, P., Paris, M., Pribula, K. Piip, M. Laan, C. Porosnicu, C. Lungu, A. Hakola. Determination of deuterium depth profiles in fusion-relevant wall materials by nanosecond LIBS. Nuclear Materials and Energy, 12 611–616, 2017. Full-text in Aaltodoc/Acris: http://urn.fi/URN:NBN:fi:aalto-201708036376.
DOI: 10.1016/j.nme.2017.05.013 View at publisher
