Изилдөөчүлөр DIII-D токамагындагы орто-бут помпаланган дивертордун радиация фронтун байкоо максатында SOLPS-ITER симуляцияларын чыныгы аппарат геометриясын эске алган Cherab–Raysect нур-издөө системасы менен бириктиришкен. Изилдөөнүн негизги жыйынтыгы, C III 465 nm сызыгынын тик радианс профилиндеги жарым-максимум орду тышкы дивертор бутундагы болжол менен \(T_e=7{-}10\) eV электрон температурасы аймагын ар башка кубат жана D₂ газ инжекциясы шарттарында ырааттуу түрдө көзөмөлдөйт. Ошондуктан C III 465 nm эмиссиясы симуляцияларда радиация фронтунун кыймылын жайгаштыруу үчүн Balmer сызыктарына салыштырмалуу курчураак оптикалык көрсөткүч берген.

Изилдөө ошол эле учурда плазма физикасын гана баалабайт; синтетикалык диагностикадан алынган маалыматты реалдуу оптикалык жеткиликтүүлүк, дивертор плиткалары, була багыттоо жана вакуум өтмөгү сыяктуу инженердик чектөөлөр менен бириктирет. Баштапкы 100 синтетикалык көрүү сызыгы механикалык жактан колдонууга мүмкүн болгон беш көрүү сызыгына чейин кыскартылат. Ар бир көрүү үчүн эки оптикалык була колдонулуп, ошол эле геометрияны тез filterscope системасы да, жогорку чечилиштик Multichord Divertor Spectrometer да байкай ала тургандай долбоорлонууда.

Жыйынтыктардын негизги чеги — диагностика системасынын иштеши али жаңы орнотулган беш көрүү сызыгынан алынган эксперименттик DIII-D маалыматтары менен ырастала элек. Плазма фондору эки өлчөмдүү, тороидалдык жактан симметриялуу SOLPS-ITER эсептөөлөрүнө таянат; кайчылаш-талаа дрейфтөөлөрү, ELM'дер, кошулма инжекциясы жана үч өлчөмдүү асимметриялар азыркы синтетикалык изилдөөнүн алкагынан тышкары.

Түркия жагынан изилдөө, синтез плазмасы же жогорку температуралуу плазма диагностикасын өнүктүргөн изилдөө инфраструктуралары үчүн түздөн-түз көчүрүлө турган аппарат рецептинен көрө маанилүү ыкма үлгүсүн сунуштайт: адегенде плазманын жүрүм-турумун сандык моделдөө, андан кийин реалдуу механикалык геометрия ичинде синтетикалык оптикалык өлчөө түзүү жана ошондон кийин гана була, линза жана көрүү сызыгынын орундарын тандоо. Башка аппаратта ошол эле ыкма колдонулса, геометрия, плазма параметрлери, дубал материалдары, спектралдык жеткиликтүүлүк жана оптикалык чектөөлөр ошол системага мүнөздүү кайра моделдениши керек.

Изилдөөнүн негизги маселеси эмне?

Магниттик камоодогу синтез системаларында ысык плазмадан чыккан энергияны плазма менен тийишкен беттерге коопсуз өткөрүү негизги инженердик маселелердин бири. Өтө жогорку жылуулук агымы плазма менен тийишкен компоненттерде эрозия, кайра кристаллдашуу, эрүү жана жарака кетүү сыяктуу бузулууларга алып келиши мүмкүн. Дивертор системасы өзөк плазмасынан сыртка ташылган энергия жана бөлүкчөлөрдү көзөмөлдүү аймакка багыттап, бул жүктү башкарууга аракет кылат.

Изилдөө көңүл бурган divertor detachment режиминде бутага жеткен плазма басымы жана жылуулук агымы плазма-нейтрал өз ара аракеттенүүлөрү жана жетиштүү төмөн температураларда көлөмдүк кайра биригүү сыяктуу процесстер менен олуттуу азайтылат. Изилдөөчүлөр DIII-D үчүн насос түздөн-түз бута плитасында эмес, тышкы дивертор бутунун жогорураак жеринде жайгашкан mid-leg pumped divertor дизайнын карашат.

Орто-бут помпалоо эмне үчүн изилденүүдө?

Сунушталган DIII-D геометриясында төмөн-талаа тарабындагы дивертор буту полоидалдык багытта болжол менен 44 cm узундукта жана насос бута бетинен жогорураак жайгаштырылган. Дизайндын максаты бутага жакын аймакта нейтрал бөлүкчөлөрдү күчтүүрөөк кармап, плазма-нейтрал өз ара аракеттенүүлөрүн, атомдук жана молекулалык нурланууну жана заряд алмашуу процесстерин күчөтүү; бөлүкчө чыгарылышын болсо жогорураак жерде ишке ашыруу.

Изилдөөдө көрсөтүлгөн 12 MW кирүү кубаты жана \(10^{22}\,\mathrm{s^{-1}}\) газ инжекциясы мисалында SOLPS-ITER эсептөөлөрү X-чекитинин айланасы 80 eVден кыйла жогору бойдон калганын, эки бутада тең электрон температурасы \(T_e<2\) eV экенин көрсөтөт. Бул жыйынтык реалдуу аппарат өлчөсу эмес, колдонулган орто-бут помпаланган дивертор моделинин эсептелген плазма фонду.

SOLPS-ITER модели кантип курулган?

SOLPS-ITER эки өлчөмдүү көп-суюктуктуу плазма ташуу коду B2.5 менен үч өлчөмдүү кинетикалык нейтрал ташуу коду EIRENE'ни бириктирет. B2.5 плазма фонун түзгөндө EIRENE Monte Carlo ыкмасы менен плазма-нейтрал өз ара аракеттенүүлөрүнөн келип чыккан бөлүкчө, импульс жана энергия булактарын жана жоготууларын эсептейт; эки модель туруктуу абал чечимине жеткенге чейин бири-бирин азыктандырат.

Симуляцияларда дейтерий плазмасы, көмүртек дубал жана көмүртек дивертор буталары колдонулган. Көмүртек эрозиясы физикалык чачыроо үчүн өзгөртүлгөн Roth–Bohdansky ыкмасы жана кошумча %2 химиялык чачыроо \((\gamma_{\mathrm{chem}}=0{,}02)\) менен моделденген. Отун түрлөрү үчүн нейтрал-нейтрал кагылышуулар эске алынган, бирок кайчылаш-талаа бөлүкчө дрейфтөөлөрү моделге кошулган эмес.

SOLPS-ITER тору 66 полоидалдык × 32 радиалдык уяча камтыйт. DIII-D нейтрал нур инжекциясынан келип чыккан отун берүүнү көрсөтүү үчүн өзөк чегинде \(1{,}7\times10^{21}\,\mathrm{s^{-1}}\) дейтерий инжекциясы колдонулган. Негизги камеранын үстүңкү тышкы дубалынан берилген D₂ газы 0 менен \(3\times10^{22}\) молекула/s арасында сканерленген. Булак бул жогорку чек DIII-D газ системасынын номиналдык мүмкүнчүлүгүнөн ашарын жана кең параметр мейкиндигинин асимптотикалык жүрүм-турумун көрүү максатында киргизилгенин өзгөчө белгилейт.

Кирүү кубаты 4–25 MW арасында өзгөртүлүп, кубат электрондор менен иондор ортосунда тең бөлүштүрүлгөн. Ташуу коэффициенттери аймакка жараша ар башка аныкталган:

Бута беттеринде стандарттуу Bohm кабык чектик шарттары колдонулган.

Cherab жана Raysect эмне кылат?

SOLPS-ITER тарабынан эсептелген электрон температурасы, электрон тыгыздыгы жана кошулма тыгыздыктары Cherab алкагына өткөрүлгөн. Cherab төрт бурчтуу SOLPS-ITER торун мейкиндик суроолорун ылдамдатуу максатында үч бурчтуу торго карталап, ар бир нур интеграция чекитиндеги жергиликтүү фотон чыгарылышын OpenADAS атомдук маалыматтары менен эсептейт.

Raysect андан кийин бул эмиссия талаасын чыныгы үч өлчөмдүү DIII-D дивертору жана вакуум идиши геометриясы боюнча көрүү сызыгында интегралдайт. Ошентип плазманын нурлануусу гана эмес, плиткалар жана аппарат чектери оптикалык жеткиликтүүлүктү жаап-жаппаганы да синтетикалык өлчөөгө кошулат.

Эмне үчүн өзгөчө C III 465 nm тандалган?

DIII-D диверторунда көмүртектин C²⁺ жана C³⁺ иондошуу абалдары маанилүү нурлануу булактары болуп саналат. Изилдөө өзгөчө көрүнүүчү аймакта күчтүү болгон C III 465 nm multipletине көңүл бурат. Бул өзгөчөлүк төрт жарык сызыкты бирге камтыйт: 464,742; 465,025; 465,147 жана 466,586 nm.

C III 465 nm эмиссиясынын чыгарылышы болжол менен \(T_e=7{-}10\) eV аралыгында күчтүү чоку көрсөтө тургандыктан, изилдөөчүлөр бул сызыкты дивертор detachment процессинин башталышы жана радиация фронтунун кыймылы үчүн оптикалык көрсөткүч катары баалашкан. Салыштыруу максатында C II 426,73 nm жана C IV 580,13 nm сызыктары да синтетикалык эсептелген.

Нейтрал дейтерий үчүн Balmer сериясындагы Dα 656 nm, Dβ 486 nm жана Dγ 434 nm сызыктары бааланган. Dγ/Dα катышы көлөмдүк кайра биригүү жана detachment өнүгүшүнө сезимтал болсо да, бул изилдөөнүн радиация фронтун так жайгаштыруу максаты жагынан C III курчураак мейкиндик өтүүсүн көрсөткөн.

Синтетикалык filterscope кантип моделденген?

Ар бир көрүү сызыгы тиешелүү атомдук сызыктын борборунда 2 nm тилке кеңдигине ээ синтетикалык чыпкалуу детектор каналына туташтырылган. Бул тилке кеңдиги учурдагы DIII-D filterscope системасынын жүрүм-турумун көрсөтүп, C III multipletин камтып, кошуна эмиссияларды чектөө максатын көздөйт.

Башында дивертор уясын тыгыз үлгүлөө үчүн 100 синтетикалык көрүү аныкталган. Көрүүлөр тышкы дубалдан эмес, ички dome плиткасынан баштатылган; мунун негизги себептери cryopump системасы менен механикалык кагылышуудан качуу жана dome беттеринин төмөнүрөөк жылуулук агымына дуушар болушу.

C III сигналы радиация фронтун кантип көрсөтөт?

Изилдөөнүн эң маанилүү физикалык жыйынтыгы — ажыратылган дивертор сценарийлеринде C III 465 nm чыгарылышынын курч көтөрүлүү аймагы \(T_e\approx7{-}10\) eV температура аймагы менен бирге кыймылдайт. Изилдөөчүлөр абсолюттук эмиссия чокусун гана колдонгон эмес; жогорку кубаттарда чоку мааниси менен анын айланасындагы платонун айырмасы кичине болгондуктан, чоку орду ишенимдүү чек белгиси эмес.

Анын ордуна бардык синтетикалык көрүүлөр боюнча C III радианс профилинин максимумдун %50 деңгээлине жеткен орду колдонулган. Бул жарым-максимум орду симуляцияланган кең NBI кубаты жана D₂ puff аралыгында \(T_e=7{-}10\) eV беттерин ырааттуураак көзөмөлдөгөн.

C IV 580,13 nm сызыгы окшош жүрүм-турум көрсөткөн, бирок өтүү азыраак курч болуп, жогорураак электрон температураларында пайда болгон. C II 426,73 nm кеңирээк мейкиндик эмиссия профилине ээ болгондуктан, радиация фронту менен ачык жайгашуу дал келүүсүн берген эмес.

Dα жана Dγ эмиссиялары да кеңирээк мейкиндик бөлүштүрүү көрсөтүп, бута плитасынан болжол менен 1–2 cm алыстыкта чоку түзгөн. Изилдөөчүлөр муну козголуу, кайра биригүү жана молекулалык процесстердин кең плазма шарттары аралыгында бирге салым кошушу менен байланыштырат.

Газ инжекциясы жана кирүү кубаты эмнени өзгөртөт?

SOLPS-ITER сканында газ инжекциясы жок кирүү кубаты болжол менен 8 MWдан үстүнө чыкканда тышкы дивертордо байланышкан же жарым-жартылай байланышкан шарттарга алып келген. Бул шарттарда эмиссия сызыктары бутага жакын чоку түзөт жана дивертор буту боюнча көрүнүктүү радиация фронту пайда болбойт.

D₂ газ инжекциясы көбөйтүлгөндө радиация фронту бутадан жогорураак жылып, detachment үчүн жеткиликтүү иш аралыгы кеңейген. Бул жыйынтык түз эксперименттик өлчөө эмес, SOLPS-ITER параметр сканынын жыйынтыгы.

Көрүү сызыктары кантип бешке кыскартылды?

Ray-tracing жыйынтыктары дивертор плиткаларындагы реалдуу оптикалык кирүү чекиттери, линзалар үчүн зарыл боштук, плитка четтериндеги жарым-жартылай көрүү тоскоолдуктарынан качуу жана була өтүү сыйымдуулугу сыяктуу инженердик шарттар менен бирге бааланган. Бул чектөөлөрдүн жыйынтыгында 100 синтетикалык талапкерден беш эксперименттик жактан колдонууга мүмкүн болгон көрүү сызыгы тандалган.

Радиация фронтуна жараша оптималдаштырылган ыкмада изилдөөчүлөр фронттун ордун бута плитасынан 10 eV изотермага чейинки аралык катары аныкташкан. D₂ puff катышы 0 менен \(1\times10^{22}\,\mathrm{s^{-1}}\) арасында 1000 тең чекитте үлгүлөнүп, дискреттик SOLPS-ITER жыйынтыктары сызыктуу интерполяция менен бааланган. Колдонууга мүмкүн болгон бардык NBI кубаттары тең салмак алган.

Беш көрүү сызыгынын экөө симуляцияланган эң кичине жана эң чоң фронт орундарында бекитилген; калган үчөө эмпирикалык бөлүштүрүүнүн %16,7, %50 жана %83,3 процентилдерине жайгаштырылган. Изилдөө ошондой эле экинчи вариант катары дивертор уясын болжол менен бирдей аралык менен үлгүлөгөн көбүрөөк консервативдүү көрүү геометриясын сунуштайт.

Изилдөөчүлөр реалдуу эксперимент шарттары моделден четтей аларын кабыл алгандыктан, үчүнчү гибрид ыкманы да талкуулашат: дивертор плиткаларында бирдей аралыктагы да, модель оптималдаштырган орундарды да колдогон көбүрөөк оптикалык уя ачуу жана кайсы уялар була менен толтуруларын кийинки эксперимент кампанияларына жараша чечүү.

Filterscope жана MDS бирге кантип колдонулат?

DIII-D filterscope системасы Dα, Dβ, Dγ жана C III сыяктуу сызыктарды чыпкалар аркылуу тез байкайт жана изилдөөдө болжол менен 50 kHz жооп ылдамдыгы берилет. Бул система радиация фронтун тез жана реалдуу убакытта көзөмөлдөө үчүн ойлонулган.

Multichord Divertor Spectrometer (MDS) болсо 1,33 m фокус узундуктуу Czerny–Turner монохроматор, 1200 сызык/mm дифракция тору жана PI-MAX 1024i Gen III HBf күчөткүчтүү iCCD камера колдонот. Система болжол менен 90 Hz'ге чейин маалымат ала алат, тандалган толкун узундугунун айланасында болжол менен 7 nm спектр берет жана 385–700 nm аралыгында иштейт.

Ар бир дивертор көрүү сызыгынан келген жарык эки була ортосунда бөлүнөт. Мунун натыйжасында жарык чогултуу натыйжалуулугу болжол менен жарымына түшсө да, filterscope жана MDS ошол эле физикалык көрүү сызыгын байкай алат. MDS; жогорку-n Balmer сызыктарындагы Stark кеңейишинен электрон тыгыздыгын, Doppler кеңейишинен ион температурасын жана молекулалык процесстердин кеңири изилденишин камсыз кылуу үчүн колдонулушу мүмкүн.

Изилдөө колдогон жыйынтыктар

• C III 465 nm радианс профилинин жарым-максимум орду симуляцияланган ажыратылган дивертор шарттарында \(T_e\approx7{-}10\) eV аймагын ырааттуу көзөмөлдөгөн.
• C III 465 nm радиация фронтун мейкиндик жактан аныктоодо C II жана каралган Balmer эмиссияларына караганда курчураак өтүү көрсөткөн.
• Газ инжекциясы көбөйтүлгөндө симуляцияларда радиация фронту бута плитасынан жогорураак жылган.
• Синтетикалык ray-tracing жана механикалык чектөөлөр бирге колдонулуп, 100 талапкер көрүү сызыгы беш колдонууга мүмкүн болгон сызыкка кыскартылган.
• Ошол эле беш көрүүнү filterscope жана MDS ортосунда бөлүшүү үчүн оптомеханикалык колдонмо дизайны түзүлгөн.

Изилдөө колдобогон же али текшере элек жыйынтыктар

• Жаңы оптикалык системанын реалдуу DIII-D атылыштарында ошол эле фронт ордун өлчөгөнү али көрсөтүлгөн эмес.
• SOLPS-ITER менен болжолдонгон радиация фронту орундар бардык реалдуу иш шарттарында ошол эле болору далилденген эмес.
• Кайчылаш-талаа дрейфтөөлөрү, ELM'дер, кошулма инжекциясы жана үч өлчөмдүү асимметриялар азыркы моделде толук бааланган эмес.
• C III 465 nm жарым-максимум критерийи бардык токамак жана дивертор геометрияларында универсалдуу радиация фронту көрсөткүчү экени көрсөтүлгөн эмес.
• Бул изилдөө синтез реакторунун таза энергия өндүрүшү, экономикалык иштеши же узак мөөнөттүү плазма-бет туруктуулугу жөнүндө жыйынтык чыгарбайт.

Изилдөөнүн Ыкмасы жана Жыйынтыктары

Негизги симуляция параметрлери

Изилденген негизги спектралдык сызыктар

C III 465 nm multipletинин компоненттери

Чыпкага негизделген диагностикада бул төрт жарык C III компоненти OpenADAS фотон түшүм коэффициентинде бирге эске алынат.

Оптомеханикалык дизайн

Акыркы жабдык дизайнында SQS Vlaknova Optika CF63 вакуум өтүү фланеци жана 10 даана SMA905 була адаптери колдонулушу пландалууда. Ар бир адаптер 400 µm өзөк диаметри бар, NA=0,22 жогорку-OH камтыган UV-VIS силика була үчүн долбоорлонгон. Булалардын вакуум шартында жана 375 °C чейин температурада иштей ала тургандай тандалышы DIII-Dнин болжол менен 350 °C бышыруу цикли менен байланыштуу.

Ар бир көрүү сызыгына эки була бөлүнгөндүктөн, он адаптер жалпысынан беш көрүү сызыгын колдойт. Булалар эки жанаша дивертор плиткасына бөлүштүрүлгөн; бир плиткада эки, экинчисинде үч көрүү болот.

Ар бир була плитканын ичине жайгаштырылган 1/2 дюйм диаметри бар асферикалык линза менен жупташтырылат. Оптикалык кармагыч; линза кармагыч, дат баспас болот пружина жана графит кулпулоо гайкасын камтыйт. Пружина октук жылуулук кеңейүүнү компенсациялоо үчүн колдонулса, плиткадагы радиалдык боштук ар башка материалдардын жылуулук кеңейүүсүнө мүмкүндүк берет.

Булак DIII-Dде ысытылган оптикалар көмүртек топтолушун азайта алганына байланыштуу мурдагы тажрыйбага карабастан, азыркы дизайнда тейлөө учурунда линзаны алмаштыруу салыштырмалуу жеңил болушу жана системанын жөнөкөй сакталуусу максатында ысытылбаган оптикалык элементтер тандалганын белгилейт.

Эң маанилүү техникалык жыйынтык

Симуляция маалымат базасы боюнча C III 465 nm сызыгынын максималдуу радиансынын түз чоку орду эмес, тик профилдин %50 максимум деңгээлине жеткен орду радиация фронтунун туруктуураак көрсөткүчү болгон. Бул чекит ажыратылган дивертор сценарийлеринде \(T_e=7{-}10\) eV аймагы менен жакын кыймылдаган.

Моделдөө белгисиздиктери

SOLPS-ITER фондору эки өлчөмдүү жана тороидалдык жактан симметриялуу. Диагностика көрүүлөрү болсо бир гана тороидалдык орунду үлгүлөйт. Реалдуу экспериментте плитка аралыктары, жергиликтүү газ инжекциясы жана үч өлчөмдүү магниттик пертурбациялар эмиссия бөлүштүрүүсүн өзгөртө алат. Ошондой эле кайчылаш-талаа дрейфтөөлөрүнүн симуляцияга кошулбашы detachment чеги жана дивертор асимметриялары жагынан маанилүү ыкмалык чек болуп саналат.

Булак жана Ыкма Жөнүндө Эскертүү

Толук түпнуска изилдөө аталышы: Optical diagnostic design for measuring the radiation front with a mid-leg pumped divertor on DIII-D

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

Авторлордун тартиби: Булакта берилген тартип ошол бойдон сакталган.

Тең салым/тең биринчи автор: Булакта тең салым билдирүүсү жок.

Жооптуу автор: Gilson Ronchi; булакта байланыш дареги ronchig@ornl.gov катары берилген.

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

DOI: 10.2139/ssrn.6932555

Платформа: SSRN.

Расмий жазуу:https://ssrn.com/abstract=6932555

Булак түрү жана рецензия абалы: Бул изилдөө рецензиядан өтпөгөн preprint болуп саналат; жыйынтыктары ушул жарыялануу баскычы эске алынып бааланууга тийиш.

Акыркы журнал/басма: Каралган версияда акыркы рецензияланган журнал жарыясы көрсөтүлгөн эмес.

Лицензия/автордук укук: Булак жалпы Creative Commons лицензиясын билдирбейт. UT-Battelle/DOE notice тексти АКШ өкмөтүнүн өкмөттүк максаттар үчүн жарыялоого же көбөйтүүгө байланыштуу белгилүү бир эксклюзивдүү эмес укуктарын сактай турганын билдирет.

Каржылоо: Изилдөө U.S. Department of Energy, Office of Science, Office of Fusion Energy Sciences колдоосун; DIII-D National Fusion Facility колдонулушун жана DE-FC02-04ER54698, DE-AC05-00OR22725 жана DE-AC52-07NA27344 номерлүү колдоо/келишимдерди билдирет.

Кызыкчылыктардын кагылышы: Авторлор белгилүү атаандаш финансылык кызыкчылык же жеке мамиле жок экенин билдиришет.

Автордук салымдар: Gilson Ronchi — методология, программалык камсыздоо, түпнуска долбоор; Robert S. Wilcox — концептуалдаштыруу, карап чыгуу жана түзөтүү; Jonathan H Yu — изилдөө, программалык камсыздоо; Andreas M Holm — изилдөө, программалык камсыздоо; Filippo Scotti — изилдөө; Adam McLean — изилдөө, булактар; Morgan Shafer — изилдөө, булактар; Joshua Hicok — изилдөө, визуалдаштыруу; Tyler Elsey — изилдөө, визуалдаштыруу.

Илимий ыкма чеги: Изилдөө жаңы оптикалык диагностиканын реалдуу DIII-D плазма атылыштарында эксперименттик ырастоосун сунуштабайт. Негизги жыйынтыктар SOLPS-ITER плазма фонунун жана Cherab–Raysect синтетикалык диагностика эсептөөлөрүнүн негизинде алынган. Кайчылаш-талаа дрейфтөөлөрү, ELM'дер, кошулма инжекциясы жана үч өлчөмдүү асимметриялар азыркы моделдөө алкагынан тышкары.

Мазмун негизи: Бул Verianla түшүндүрмөсү каралган изилдөөнүн ыкмасына, симуляция параметрлерине, сүрөттөрүнө, спектралдык салыштырууларына, оптикалык дизайнына жана жыйынтыктарына таянат. Библиографиялык идентификацияны текшерүүдөн тышкары тышкы булактардан жаңы илимий табылга кошулган эмес.