[論文レビュー] Collisional radiative modelling with improved cross sections to investigate plasma molecular interactions in divertor plasmas

Stijn Kobussen|arXiv (Cornell University)|Nov 28, 2023

Magnetic confinement fusion research被引用数 4

ひとこと要約

本研究では、LaportaおよびMCCCDBデータベースからの改良されたab initio断面積を用いて、MAST-U Super-X発電端プラズマ内の分子過程をよりよくシミュレートするための衝突的放射モデル（CRM）を開発した。従来のEireneテーブル化率の代わりに、より正確な振動状態分解能を有する率係数を採用することで、分子活性化再結合（MAR）および分子活性化解離（MAD）が著しく向上し、実験データとの一致が向上した。これは、深部プラズマ分離において分子的相互作用が果たす重要な役割を強調している。

ABSTRACT

Power exhaust is one of the main challenges for the realization of practical fusion energy production. The magnetic confinement approach to fusion often uses a divertor configuration, where power loads are critical. Recent SOLPS simulations of divertor plasmas in MAST-U and TCV show significant deviations from the experimental results [36, 35]. A possible explanation for this is the incorrect incorporation of plasma-molecular interactions in current SOLPS simulations. SOLPS uses tabulated rate data for the particle physics part of the simulations [37, 23]. There are, however, large concerns about the accuracy of these rates, especially for plasma-molecular interactions [33]. Therefore, in this work, improved rate data from different sources, such as the Laporta[18] and MCCCDB[29, 27, 28] databases was used, to construct a Collisional Radiative Model (CRM) to investigate the plasma molecular interactions in conditions relevant to the MAST-U Super-X divertor. It was shown that using these rates, a better correspondence with experiment is achieved than with the tabulated rates. In particular, increased Molecular Activated Recombination (MAR) and Dissociation (MAD) was observed. Additionally it was found that molecular processes may be a significant contributor to divertor physics. The effect of different processes on the vibrational distribution was also investigated, as well as the radiative emission spectra generated from the CRM. It was demonstrated that re-evaluation of reaction rates for plasma-molecular interactions in plasma-edge modelling is necessary.

研究の動機と目的

• MAST-UおよびTCV発電端プラズマにおける深部分離時におけるSOLPSシミュレーションと実験結果の乖離を解消すること。
• 特に分子電荷交換を含む、プラズマ-分子相互作用に対する従来のEireneテーブル化率係数の正確性を評価すること。
• LaportaおよびMCCCDBデータベースからの改良された振動状態分解能を有する断面積を用いて、より正確な衝突的放射モデル（CRM）を構築すること。
• 特にMARおよびMADを含む分子過程が、低温発電端条件における放射エネルギー損失および振動分布に与える影響を定量化すること。
• 将来の核融合炉（例：DEMO）のためのプラズマ端縁モデリングにおいて、反応率の再評価の必要性を評価すること。

提案手法

• Deuterium分子の励起状態分布をシミュレートするために、CRUMPET Pythonツールを用いて0次元の衝突的放射モデル（CRM）を構築した。
• 励起、解離、イオン化、付加の電子衝突断面積を、D₂に特化してLaportaおよびMCCCDBデータベースから取得した。
• 詳細な平衡およびフランク＝コンドン因子を適用して、断面積をすべての振動遷移に拡張し、率係数の計算を可能にした。
• 断面積を熱平均化して率係数に変換し、多項式フィットを用いて電子温度の関数として近似した。
• 水素データから導出されたスケーリング式を用いて、振動-振動交換（VVE）率を導入し、温度依存性を調整した。
• Verhaeghら（2023）の原子および分子密度のスケーリング則を用いて、原子的および分子的プロセスの相対的寄与を評価した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 改良された振動状態分解能を有する率係数を用いることで、MAST-U Super-X発電端プラズマにおけるSOLPSシミュレーションと実験データの乖離はどの程度低減されるか？
• RQ2 分子活性化再結合（MAR）および分子活性化解離（MAD）などの分子過程が、深部分離におけるエネルギー損失および粒子損失にどの程度寄与しているか？
• RQ3 CRMシミュレーションにおける完全な振動状態分解能の導入が、予測される放射エネルギー分光に与える影響は何か？
• RQ4 電子衝突励起と解離付加の異なる反応経路が、D₂の振動分布にどのように影響を与えるか？
• RQ5 現在のEireneテーブル化率が、低温・高中性子密度の発電端領域における分子相互作用のモデリングにどの程度不適切であるか？

主な発見

• LaportaおよびMCCCDBデータベースからの改良された断面積を用いたCRMは、従来のEireneテーブル化率を用いたシミュレーションと比較して、実験データとの一致が著しく良好であることが示された。
• 分子活性化再結合（MAR）および分子活性化解離（MAD）の率が増加したことが確認され、分子過程がエネルギー損失および粒子損失においてより重要な役割を果たしていることが示された。
• D₂の振動分布が、特に励起および解離に係る状態分解能を有する電子衝突断面積の導入に極めて敏感であることが判明した。
• CRMから計算された放射エネルギー分光は、反応率モデルに依存する明確な特徴を示し、改良された断面積を用いた場合には特定のバンドで放射が強化された。
• 本研究では、Super-Xのような高度な発電端構造において、プラズマ-分子相互作用の反応率の再評価が、正確なプラズマ端縁モデリングに不可欠であることを確認した。
• DおよびD₂密度のスケーリング則の使用により、電子温度が低下するに従い、分子的プロセスがますます優位になることが明らかになった。特に深部分離領域で顕著であった。