Araştırmacılar, DIII-D tokamağındaki orta-bacak pompalamalı divertörün radyasyon cephesini izlemek amacıyla SOLPS-ITER simülasyonlarını gerçek cihaz geometrisini hesaba katan Cherab–Raysect ışın izleme sistemiyle birleştirmiştir. Çalışmanın ana sonucu, C III 465 nm çizgisinin dikey radyans profilindeki yarı-maksimum konumunun, dış divertör bacağındaki yaklaşık \(T_e=7{-}10\) eV elektron sıcaklığı bölgesini farklı güç ve D₂ gaz enjeksiyonu koşullarında tutarlı biçimde izlemesidir. Bu nedenle C III 465 nm emisyonu, simülasyonlarda radyasyon cephesinin hareketini konumlandırmak için Balmer çizgilerine kıyasla daha keskin bir optik gösterge sunmuştur.

Çalışma aynı zamanda yalnızca plazma fiziğini değerlendirmekle kalmıyor; sentetik tanıdan elde edilen bilgiyi gerçek optik erişim, divertör karoları, fiber yönlendirmesi ve vakum geçişi gibi mühendislik kısıtlarıyla birleştiriyor. Başlangıçtaki 100 sentetik görüş hattı, mekanik olarak uygulanabilir beş görüş hattına indiriliyor. Her görüş için iki optik fiber kullanılarak aynı geometri hem hızlı filterscope sistemi hem de yüksek çözünürlüklü Multichord Divertor Spectrometer tarafından gözlenebilecek şekilde tasarlanıyor.

Sonuçların temel sınırı, tanı sisteminin performansının henüz yeni kurulmuş beş görüş hattından alınan deneysel DIII-D verileriyle doğrulanmamış olmasıdır. Plazma arka planları iki boyutlu, toroidal olarak simetrik SOLPS-ITER hesaplamalarına dayanır; çapraz-alan sürüklenmeleri, ELM'ler, safsızlık enjeksiyonu ve üç boyutlu asimetriler mevcut sentetik çalışmanın kapsamı dışındadır.

Türkiye açısından çalışma, füzyon plazması veya yüksek sıcaklıklı plazma tanısı geliştiren araştırma altyapıları için doğrudan kopyalanacak bir cihaz reçetesinden çok, önemli bir yöntem örneği sunmaktadır: önce plazma davranışını sayısal olarak modellemek, ardından gerçek mekanik geometri içinde sentetik optik ölçüm üretmek ve ancak bundan sonra fiber, lens ve görüş hattı konumlarını seçmek. Farklı bir cihazda aynı yaklaşım uygulanacaksa geometri, plazma parametreleri, duvar malzemeleri, spektral erişim ve optik kısıtların o sisteme özgü olarak yeniden modellenmesi gerekir.

Araştırmanın temel problemi nedir?

Manyetik hapseden füzyon sistemlerinde sıcak plazmadan çıkan enerjinin plazmayla temas eden yüzeylere güvenli biçimde aktarılması temel mühendislik problemlerinden biridir. Çok yüksek ısı akısı, plazmayla temas eden bileşenlerde erozyon, yeniden kristalleşme, erime ve çatlama gibi hasarlara yol açabilir. Divertör sistemi, çekirdek plazmadan dışarı taşınan enerji ve parçacıkları kontrollü bir bölgeye yönlendirerek bu yükü yönetmeye çalışır.

Çalışmanın odaklandığı divertör detachment rejiminde hedefe ulaşan plazma basıncı ve ısı akısı, plazma-nötr etkileşimleri ve yeterince düşük sıcaklıklarda hacimsel yeniden birleşme gibi süreçlerle önemli ölçüde azaltılır. Araştırmacılar DIII-D için, pompanın doğrudan hedef plakada değil dış divertör bacağının daha yukarısında bulunduğu mid-leg pumped divertor tasarımını ele almaktadır.

Orta-bacak pompalama neden inceleniyor?

Önerilen DIII-D geometrisinde düşük-alan tarafındaki divertör bacağı poloidal yönde yaklaşık 44 cm uzunluğundadır ve pompa hedef yüzeyinden daha yukarı yerleştirilmiştir. Tasarımın amacı hedefe yakın bölgede nötr parçacıkları daha güçlü biçimde tutarak plazma-nötr etkileşimlerini, atomik ve moleküler ışıma ile yük değişim süreçlerini güçlendirmek; parçacık egzozunu ise daha yukarıda gerçekleştirmektir.

Çalışmada gösterilen 12 MW giriş gücü ve \(10^{22}\,\mathrm{s^{-1}}\) gaz enjeksiyonu örneğinde SOLPS-ITER hesaplamaları, X-noktası çevresinin 80 eV'nin oldukça üzerinde kalırken her iki hedefte elektron sıcaklığının \(T_e<2\) eV olduğunu göstermektedir. Bu sonuç gerçek cihaz ölçümü değil, kullanılan orta-bacak pompalamalı divertör modelinin hesaplanan plazma arka planıdır.

SOLPS-ITER modeli nasıl kurulmuştur?

SOLPS-ITER, iki boyutlu çok-akışkan plazma taşıma kodu B2.5 ile üç boyutlu kinetik nötr taşıma kodu EIRENE'yi birleştirmektedir. B2.5 plazma arka planını üretirken EIRENE, Monte Carlo yöntemiyle plazma-nötr etkileşimlerinden kaynaklanan parçacık, momentum ve enerji kaynaklarını ve kayıplarını hesaplar; iki model kararlı durum çözümüne ulaşıncaya kadar birbirini besler.

Simülasyonlarda döteryum plazması, karbon duvar ve karbon divertör hedefleri kullanılmıştır. Karbon erozyonu fiziksel püskürtme için değiştirilmiş Roth–Bohdansky yaklaşımı ve ayrıca %2 kimyasal püskürtme \((\gamma_{\mathrm{chem}}=0{,}02)\) ile modellenmiştir. Yakıt türleri için nötr-nötr çarpışmaları hesaba katılmış, ancak çapraz-alan parçacık sürüklenmeleri modele dahil edilmemiştir.

SOLPS-ITER ağı 66 poloidal × 32 radyal hücre içermektedir. DIII-D nötr ışın enjeksiyonundan kaynaklanan yakıtlamayı temsil etmek amacıyla çekirdek sınırında \(1{,}7\times10^{21}\,\mathrm{s^{-1}}\) döteryum enjeksiyonu uygulanmıştır. Ana haznenin üst dış duvarından verilen D₂ gazı 0 ile \(3\times10^{22}\) molekül/s arasında taranmıştır. Kaynak, bu üst sınırın DIII-D gaz sisteminin nominal kapasitesini aştığını ve geniş parametre uzayının asimptotik davranışını görmek amacıyla dahil edildiğini özellikle belirtmektedir.

Giriş gücü 4–25 MW arasında değiştirilmiş ve güç elektronlar ile iyonlar arasında eşit bölüştürülmüştür. Taşıma katsayıları bölgeye göre farklı tanımlanmıştır:

Hedef yüzeylerde standart Bohm kılıf sınır koşulları uygulanmıştır.

Cherab ve Raysect ne yapıyor?

SOLPS-ITER tarafından hesaplanan elektron sıcaklığı, elektron yoğunluğu ve safsızlık yoğunlukları Cherab çerçevesine aktarılmıştır. Cherab, dörtgen SOLPS-ITER ağını uzamsal sorgulamayı hızlandırmak amacıyla üçgen ağa eşlemekte ve her ışın entegrasyon noktasındaki yerel foton yayımını OpenADAS atomik verileriyle hesaplamaktadır.

Raysect daha sonra bu emisyon alanını gerçek üç boyutlu DIII-D divertör ve vakum kabı geometrisi boyunca görüş hattında integre eder. Böylece yalnızca plazmanın ışınımı değil, karoların ve cihaz sınırlarının optik erişimi kapatıp kapatmadığı da sentetik ölçüme dahil edilir.

Neden özellikle C III 465 nm seçilmiştir?

DIII-D divertöründe karbonun C²⁺ ve C³⁺ iyonlaşma durumları önemli ışıma kaynaklarıdır. Çalışma özellikle görünür bölgede güçlü olan C III 465 nm multipletine odaklanmaktadır. Bu özellik dört parlak çizgiyi birlikte içerir: 464,742; 465,025; 465,147 ve 466,586 nm.

C III 465 nm emisyonunun yayımı yaklaşık \(T_e=7{-}10\) eV aralığında kuvvetli bir tepe gösterdiği için araştırmacılar bu çizgiyi divertör detachment sürecinin başlaması ve radyasyon cephesinin hareketi için optik bir gösterge olarak değerlendirmiştir. Karşılaştırma amacıyla C II 426,73 nm ve C IV 580,13 nm çizgileri de sentetik olarak hesaplanmıştır.

Nötr döteryum için Balmer serisindeki Dα 656 nm, Dβ 486 nm ve Dγ 434 nm çizgileri değerlendirilmiştir. Dγ/Dα oranı hacimsel yeniden birleşme ve detachment gelişimine duyarlı olsa da bu çalışmanın radyasyon cephesini hassas biçimde konumlandırma amacı açısından C III daha keskin uzamsal geçiş göstermiştir.

Sentetik filterscope nasıl modellenmiştir?

Her görüş hattı, ilgili atomik çizginin merkezinde 2 nm bant genişliğine sahip sentetik filtreli algılayıcı kanalına bağlanmıştır. Bu bant genişliği mevcut DIII-D filterscope sisteminin davranışını temsil etmekte ve C III multipletini kapsarken komşu emisyonları sınırlama hedefi taşımaktadır.

Başlangıçta divertör yuvasını yoğun biçimde örneklemek için 100 sentetik görüş tanımlanmıştır. Görüşler dış duvardan değil iç dome karosundan başlatılmıştır; bunun temel nedenleri cryopump sistemiyle mekanik çakışmayı önlemek ve dome yüzeylerinin daha düşük ısı akısına maruz kalmasıdır.

C III sinyali radyasyon cephesini nasıl gösteriyor?

Çalışmanın en önemli fiziksel sonucu, ayrılmış divertör senaryolarında C III 465 nm yayımının keskin yükseliş bölgesinin \(T_e\approx7{-}10\) eV sıcaklık bölgesiyle birlikte hareket etmesidir. Araştırmacılar yalnız mutlak emisyon tepesini kullanmamıştır; yüksek güçlerde tepe değeri çevresindeki plato ile arasındaki fark küçük olduğundan, tepe konumu güvenilir bir sınır işareti değildir.

Bunun yerine tüm sentetik görüşler boyunca C III radyans profilinin maksimumun %50'sine ulaştığı konum kullanılmıştır. Bu yarı-maksimum konumu, simüle edilen geniş NBI gücü ve D₂ puff aralığında \(T_e=7{-}10\) eV yüzeylerini daha tutarlı biçimde izlemiştir.

C IV 580,13 nm çizgisi benzer davranış göstermiş, ancak geçiş daha az keskin olmuş ve daha yüksek elektron sıcaklıklarında meydana gelmiştir. C II 426,73 nm daha geniş bir uzamsal emisyon profiline sahip olduğundan radyasyon cephesiyle açık bir konumsal eşleşme sağlamamıştır.

Dα ve Dγ emisyonları da daha geniş uzamsal dağılım göstermiş ve hedef plakasından yaklaşık 1–2 cm uzakta tepe yapmıştır. Araştırmacılar bunu uyarılma, yeniden birleşme ve moleküler süreçlerin geniş bir plazma koşulu aralığında birlikte katkı sağlamasına bağlamaktadır.

Gaz enjeksiyonu ve giriş gücü neyi değiştiriyor?

SOLPS-ITER taramasında gaz enjeksiyonu olmadan giriş gücünün yaklaşık 8 MW'ın üzerine çıkması, dış divertörde bağlı veya kısmen bağlı koşullara yol açmıştır. Bu koşullarda emisyon çizgileri hedefe yakın tepe yapmakta ve divertör bacağı boyunca belirgin bir radyasyon cephesi oluşmamaktadır.

D₂ gaz enjeksiyonu artırıldığında radyasyon cephesi hedeften daha yukarı taşınmış ve detachment için erişilebilir çalışma aralığı genişlemiştir. Bu sonuç doğrudan deneysel ölçüm değil, SOLPS-ITER parametre taramasının sonucudur.

Görüş hatları nasıl beşe indirildi?

Ray-tracing sonuçları, divertör karolarındaki gerçek optik erişim noktaları, lensler için gerekli boşluk, karo kenarlarında kısmi görüş engellerinden kaçınma ve fiber geçiş kapasitesi gibi mühendislik koşullarıyla birlikte değerlendirilmiştir. Bu kısıtlar sonunda 100 sentetik adaydan beş deneysel olarak uygulanabilir görüş hattı seçilmiştir.

Radyasyon cephesine göre optimize edilen yöntemde araştırmacılar cephenin konumunu hedef plakadan 10 eV izotermine olan mesafe olarak tanımlamıştır. D₂ puff oranı 0 ile \(1\times10^{22}\,\mathrm{s^{-1}}\) arasında 1000 eşit noktada örneklenmiş ve ayrık SOLPS-ITER sonuçları doğrusal enterpolasyonla değerlendirilmiştir. Kullanılabilir bütün NBI güçleri eşit ağırlık almıştır.

Beş görüş hattından ikisi simüle edilen en küçük ve en büyük cephe konumlarına sabitlenmiş; diğer üçü ampirik dağılımın %16,7, %50 ve %83,3 yüzdeliklerine yerleştirilmiştir. Çalışma ayrıca ikinci bir seçenek olarak divertör yuvasını yaklaşık eşit aralıklarla örnekleyen daha muhafazakâr görüş geometrisini önermektedir.

Araştırmacılar, gerçek deney koşullarının modelden sapabileceğini kabul ettikleri için üçüncü bir hibrit yaklaşım da tartışmaktadır: divertör karolarında hem eşit aralıklı hem de modelce optimize edilmiş konumları destekleyen daha fazla optik yuva açmak ve hangi yuvaların fiberle doldurulacağına sonraki deney kampanyalarına göre karar vermek.

Filterscope ve MDS birlikte nasıl kullanılacak?

DIII-D filterscope sistemi Dα, Dβ, Dγ ve C III gibi çizgileri filtreler üzerinden hızlı biçimde izlemektedir ve çalışmada yaklaşık 50 kHz tepki hızı verilmektedir. Bu sistem radyasyon cephesinin hızlı ve gerçek zamanlı takibi için düşünülmektedir.

Multichord Divertor Spectrometer (MDS) ise 1,33 m odak uzunluklu Czerny–Turner monokromatör, 1200 oluk/mm kırınım ızgarası ve PI-MAX 1024i Gen III HBf yoğunlaştırıcılı iCCD kamera kullanmaktadır. Sistem yaklaşık 90 Hz'e kadar edinim yapabilir, seçilen dalga boyu çevresinde yaklaşık 7 nm spektrum sağlar ve 385–700 nm aralığında çalışır.

Her divertör görüş hattından gelen ışık iki fiber arasında bölünecektir. Bunun sonucu ışık toplama veriminde yaklaşık yarıya düşüş olsa da filterscope ve MDS aynı fiziksel görüş hattını izleyebilecektir. MDS; yüksek-n Balmer çizgilerindeki Stark genişlemesinden elektron yoğunluğu, Doppler genişlemesinden iyon sıcaklığı ve moleküler süreçlerin ayrıntılı incelenmesi için kullanılabilecektir.

Çalışmanın desteklediği sonuçlar

• C III 465 nm radyans profilinin yarı-maksimum konumu, simüle edilen ayrılmış divertör koşullarında \(T_e\approx7{-}10\) eV bölgesini tutarlı biçimde izlemiştir.
• C III 465 nm, radyasyon cephesini uzamsal olarak belirlemek açısından C II ve incelenen Balmer emisyonlarına göre daha keskin geçiş göstermiştir.
• Gaz enjeksiyonu artırıldığında simülasyonlarda radyasyon cephesi hedef plakasından daha yukarı taşınmıştır.
• Sentetik ray-tracing ve mekanik kısıtlar birlikte kullanılarak 100 aday görüş hattı beş uygulanabilir hatta indirilebilmiştir.
• Aynı beş görüşün filterscope ve MDS arasında paylaşılması için optomekanik bir uygulama tasarımı oluşturulmuştur.

Çalışmanın desteklemediği veya henüz test etmediği sonuçlar

• Yeni optik sistemin gerçek DIII-D atışlarında aynı cephe konumunu ölçtüğü henüz gösterilmemiştir.
• SOLPS-ITER ile tahmin edilen radyasyon cephesi konumlarının bütün gerçek işletme koşullarında aynı olacağı kanıtlanmamıştır.
• Çapraz-alan sürüklenmeleri, ELM'ler, safsızlık enjeksiyonu ve üç boyutlu asimetriler mevcut modelde tam olarak değerlendirilmemiştir.
• C III 465 nm yarı-maksimum ölçütünün bütün tokamak ve divertör geometrilerinde evrensel bir radyasyon cephesi göstergesi olduğu gösterilmemiştir.
• Bu çalışma bir füzyon reaktörünün net enerji üretimi, ekonomik performansı veya uzun dönem plazma-yüzey dayanıklılığı hakkında sonuç üretmemektedir.

Çalışmanın Yöntemi ve Bulguları

Temel simülasyon parametreleri

İncelenen başlıca spektral çizgiler

C III 465 nm multipletinin bileşenleri

Filtre tabanlı tanıda bu dört parlak C III bileşeni OpenADAS foton verim katsayısında birlikte ele alınmaktadır.

Optomekanik tasarım

Son donanım tasarımında SQS Vlaknova Optika CF63 vakum geçiş flanşı ve 10 adet SMA905 fiber adaptörü kullanılması planlanmaktadır. Her adaptör, 400 µm çekirdek çaplı, NA=0,22 yüksek-OH içerikli UV-VIS silika fiber için tasarlanmıştır. Fiberlerin vakum ortamında ve 375 °C'ye kadar sıcaklıkta çalışabilecek şekilde seçilmesi, DIII-D'nin yaklaşık 350 °C fırınlama çevrimiyle ilişkilidir.

Her görüş hattına iki fiber ayrıldığı için on adaptör toplam beş görüş hattını desteklemektedir. Fiberler iki bitişik divertör karosuna dağıtılmıştır; bir karoda iki, diğer karoda üç görüş bulunacaktır.

Her fiber, karonun içine yerleştirilen 1/2 inç çaplı asferik lens ile eşlenmektedir. Optik tutucu; lens tutucu, paslanmaz çelik yay ve grafit kilitleme somunu içerir. Yay, eksenel termal genleşmeyi karşılamak için kullanılırken karodaki radyal boşluk farklı malzemelerin termal genleşmesine izin verir.

Kaynak, DIII-D'de ısıtılmış optiklerin karbon birikimini azaltabildiğine ilişkin önceki deneyime rağmen mevcut tasarımda bakım sırasında lens değişiminin görece kolay olması ve sistemin sade tutulması amacıyla ısıtılmamış optik elemanların seçildiğini belirtmektedir.

En önemli teknik bulgu

Simülasyon veri tabanı boyunca C III 465 nm çizgisinin maksimum radyansının doğrudan tepe konumu değil, dikey profilin %50 maksimum seviyesine ulaştığı konum radyasyon cephesinin daha kararlı göstergesi olmuştur. Bu nokta, ayrılmış divertör senaryolarında \(T_e=7{-}10\) eV bölgesiyle yakın biçimde hareket etmiştir.

Modelleme belirsizlikleri

SOLPS-ITER arka planları iki boyutlu ve toroidal olarak simetriktir. Tanı görüşleri ise tek bir toroidal konumu örneklemektedir. Gerçek deneyde karo aralıkları, yerel gaz enjeksiyonu ve üç boyutlu manyetik pertürbasyonlar emisyon dağılımını değiştirebilir. Ayrıca çapraz-alan sürüklenmelerinin simülasyona dahil edilmemesi, detachment eşiği ve divertör asimetrileri bakımından önemli bir yöntemsel sınırdır.

Kaynak ve Yöntem Notu

Tam özgün çalışma adı: Optical diagnostic design for measuring the radiation front with a mid-leg pumped divertor on DIII-D

Yazarlar: Gilson Ronchi, Robert S. Wilcox, Jonathan H Yu, Andreas M Holm, Filippo Scotti, Adam McLean, Morgan Shafer, Joshua Hicok ve Tyler Elsey.

Yazar sırası: Kaynakta verilen sıra aynen korunmuştur.

Eş katkı/eş birinci yazar: Kaynakta eş katkı beyanı bulunmamaktadır.

Sorumlu yazar: Gilson Ronchi; kaynakta iletişim adresi ronchig@ornl.gov olarak verilmiştir.

Kurumlar: Oak Ridge National Laboratory, Oak Ridge, Tennessee, ABD; General Atomics, San Diego, California, ABD; Lawrence Livermore National Laboratory, Livermore, California, ABD.

DOI: 10.2139/ssrn.6932555

Platform: SSRN.

Resmî kayıt:https://ssrn.com/abstract=6932555

Kaynak türü ve hakemlik durumu: Bu çalışma hakem değerlendirmesinden geçmemiş bir preprinttir; sonuçları bu yayın aşaması dikkate alınarak değerlendirilmelidir.

Nihai dergi/yayınevi: İncelenen sürümde nihai hakemli dergi yayını belirtilmemektedir.

Lisans/telif: Kaynak genel bir Creative Commons lisansı bildirmemektedir. UT-Battelle/DOE notice metni, ABD hükümetinin hükümet amaçları doğrultusunda yayımlama veya çoğaltmaya ilişkin belirli gayrimünhasır haklarını koruduğunu belirtmektedir.

Finansman: Çalışma U.S. Department of Energy, Office of Science, Office of Fusion Energy Sciences desteğini; DIII-D National Fusion Facility kullanımını ve DE-FC02-04ER54698, DE-AC05-00OR22725 ve DE-AC52-07NA27344 numaralı destek/sözleşmeleri bildirmektedir.

Çıkar çatışması: Yazarlar bilinen rekabet eden mali çıkar veya kişisel ilişki bulunmadığını beyan etmektedir.

Yazar katkıları: Gilson Ronchi — metodoloji, yazılım, özgün taslak; Robert S. Wilcox — kavramsallaştırma, gözden geçirme ve düzenleme; Jonathan H Yu — araştırma, yazılım; Andreas M Holm — araştırma, yazılım; Filippo Scotti — araştırma; Adam McLean — araştırma, kaynaklar; Morgan Shafer — araştırma, kaynaklar; Joshua Hicok — araştırma, görselleştirme; Tyler Elsey — araştırma, görselleştirme.

Bilimsel yöntem sınırı: Çalışma yeni optik tanının gerçek DIII-D plazma atışlarında deneysel doğrulamasını sunmamaktadır. Temel sonuçlar SOLPS-ITER plazma arka planı ve Cherab–Raysect sentetik tanı hesaplamalarına dayanır. Çapraz-alan sürüklenmeleri, ELM'ler, safsızlık enjeksiyonu ve üç boyutlu asimetriler mevcut modelleme kapsamının dışındadır.

İçerik temeli: Bu Verianla açıklaması incelenen çalışmanın yöntem, simülasyon parametreleri, şekilleri, spektral karşılaştırmaları, optik tasarımı ve sonuçlarına dayanmaktadır. Bibliyografik kimlik doğrulaması dışında dış kaynaklardan yeni bilimsel bulgu eklenmemiştir.