Effects of low-Z powders on high-confinement plasmas in DIII-D - Archive ouverte HAL Accéder directement au contenu
Poster De Conférence Année : 2022

Effects of low-Z powders on high-confinement plasmas in DIII-D

Efectos de polvos de baja Z en plasmas de alto confinamiento en DIII-D

Effets des poudres à faible Z sur les plasmas à haut confinement dans DIII-D

DIII-Dの高閉じ込めプラズマに対する低Z粉末の効果

DIII-D의 고밀착 플라즈마에 대한 low-Z 분말의 효과

低 Z 粉末对 DIII-D 高约束等离子体的影响

Résumé

Analysis of experiments with lithium (Li), boron (B), and boron nitride (BN) powders of 45-150 um particle size injected into DIII-D ELMy H‑mode plasmas in upper single null configurations (Ip~1 MA, Bt=2 T, PNB~6 MW, fELM~80 Hz, ne~3.6-5.0x1019 m-3) in 2-s intervals at rates of 3-200 mg/s showed a substantial increase in divertor dissipation, improvement of wall conditions and mitigation of ELM heat fluxes in the divertor (F. Effenberg et al 2022 Nucl. Fusion 62 106015). The powders were injected near the strike line in the upper closed divertor, resulting in a substantial drop in divertor electron temperature and heat fluxes. A reduction from 30 eV to below 5 eV, an increase in divertor neutral compression by up to an order of magnitude, and a transition into stable detachment were achieved with >50 mg/s BN. Boron powder particles showed a delayed cooling effect in the divertor and, at the same time, a more substantial rise in Zeff from 1.8 to 2.4 compared to BN and Li injection. The multi-species BN powders generally showed the most rapid cooling of divertor heat fluxes and increased divertor neutral compression. The divertor detached at BN rates of 54 mg/s with minor degradation of the stored magnetic energy Wmhd by 5%. Rates of 204 mg/s of boron nitride powder reduced ELM-fluxes on the divertor but also caused a drop in confinement performance by 24% due to the onset of an n = 2 tearing mode. Low recycling powder injection also caused a decrease in wall fueling, in main chamber neutral pressure, and the reduction of oxygen, carbon, and neutral deuterium line emission in the plasma boundary associated with a reduction of the neutral and impurity sources in the plasma boundary. Plasma fluid and kinetic neutral edge transport modeling with EMC3-EIRENE was coupled with the dust injection simulator transport model to analyze the migration of injected impurity powder particles and the resulting impurity ionization distributions in the plasma boundary. The modeling shows that the impurity screening capability of the divertor substantially reduces with an increasing powder particle size which leads to an increase in impurity pedestal density and an increase in effective charge Zeff in the confinement region. An analysis of impurity powder particle parameters for different impurity species and the effect of separatrix density on impurity screening and dilution of the pedestal with impurities has been conducted by comparing the experimental trends with systematic scans in the modeling. The analysis elucidates how the core-edge compatibility of impurity powder injection can be improved for the mitigation of plasma-wall interactions during H-mode operation.
Analyse d'expériences avec des poudres de lithium (Li), de bore (B) et de nitrure de bore (BN) d'une granulométrie de 45 à 150 um injectées dans des plasmas DIII-D ELMy en mode H dans des configurations nulles supérieures (Ip ~ 1 MA, Bt =2 T, PNB~6 MW, fELM~80 Hz, ne~3.6-5.0x1019 m-3) à des intervalles de 2 s à des taux de 3-200 mg/s ont montré une augmentation substantielle de la dissipation du divertor, une amélioration des conditions de paroi et atténuation des flux de chaleur ELM dans le divertor (F. Effenberg et al 2022 Nucl. Fusion 62 106015). Les poudres ont été injectées près de la ligne d'impact dans le divertor fermé supérieur, ce qui a entraîné une baisse substantielle de la température des électrons du divertor et des flux de chaleur. Une réduction de 30 eV à moins de 5 eV, une augmentation de la compression neutre du divertor jusqu'à un ordre de grandeur et une transition vers un détachement stable ont été obtenues avec > 50 mg/s de BN. Les particules de poudre de bore ont montré un effet de refroidissement retardé dans le divertor et, en même temps, une augmentation plus importante du Zeff de 1,8 à 2,4 par rapport à l'injection de BN et de Li. Les poudres de BN multi-espèces ont généralement montré le refroidissement le plus rapide des flux de chaleur du divertor et une augmentation de la compression neutre du divertor. Le divertor s'est détaché à des taux de BN de 54 mg/s avec une dégradation mineure de l'énergie magnétique stockée Wmhd de 5 %. Des débits de 204 mg/s de poudre de nitrure de bore ont réduit les flux d'ELM sur le divertor mais ont également provoqué une baisse des performances de confinement de 24 % en raison de l'apparition d'un mode de déchirure n = 2. L'injection de poudre à faible recyclage a également entraîné une diminution de l'alimentation des parois, de la pression neutre de la chambre principale et une réduction des émissions de ligne d'oxygène, de carbone et de deutérium neutre dans la limite du plasma associée à une réduction des sources neutres et d'impuretés dans la limite du plasma. La modélisation du transport des fluides plasmatiques et des bords neutres cinétiques avec EMC3-EIRENE a été couplée au modèle de transport du simulateur d'injection de poussière pour analyser la migration des particules de poudre d'impuretés injectées et les distributions d'ionisation des impuretés résultantes dans la limite du plasma. La modélisation montre que la capacité de filtrage des impuretés du divertor diminue considérablement avec l'augmentation de la taille des particules de poudre, ce qui entraîne une augmentation de la densité du socle d'impuretés et une augmentation de la charge effective Zeff dans la région de confinement. Une analyse des paramètres des particules de poudre d'impuretés pour différentes espèces d'impuretés et l'effet de la densité séparatrice sur le dépistage des impuretés et la dilution du piédestal avec des impuretés a été menée en comparant les tendances expérimentales avec des balayages systématiques dans la modélisation. L'analyse explique comment la compatibilité noyau-bord de l'injection de poudre d'impureté peut être améliorée pour l'atténuation des interactions plasma-paroi pendant le fonctionnement en mode H.
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Origine Fichiers produits par l'(les) auteur(s)

Dates et versions

hal-03825757 , version 1 (23-10-2022)

Licence

Identifiants

  • HAL Id : hal-03825757 , version 1

Citer

Florian Effenberg, Alessandro Bortolon, Livia Casali, Igor Bykov, Filippo Scotti, et al.. Effects of low-Z powders on high-confinement plasmas in DIII-D. 18th International Workshop on H-mode Physics and Transport Barriers, Sep 2022, Princeton, NJ, United States. , 2022. ⟨hal-03825757⟩
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