[論文レビュー] Experimental Inference of Neutral and Impurity Transport in Alcator C-Mod Using High-Resolution X-Ray and Ultra-Violet Spectra

F. Sciortino, N. T. Howard+11 more|arXiv (Cornell University)|Jul 28, 2021

Magnetic confinement fusion research参考文献 121被引用数 12

ひとこと要約

本研究では、Alcator C-Modプラズマにおける中性子および不純物輸送を実験的に制約するため、高分解能X線（XICS）および極端紫外線（EUV）分光法を用いた新しいベイジアン推論フレームワークを提示する。全Ca Kαスペクトルモデリング（放射線線を含む）およびエッジ中性子と不純物との間の電荷交換を組み込むことで、推定される拡散および対流プロファイルの精度が向上し、中半径部では乱流輸送モデルと良好な一致を示すが、対流予測には不一致が生じる。

ABSTRACT

We present experimental inferences of cross-field impurity transport coefficients for Alcator C-Mod plasmas using a novel forward model for the entire Ca K-alpha spectrum, including satellite lines within the spectral range, to compare to high-resolution X-ray Imaging Crystal Spectroscopy (XICS). These measurements are complemented by Extreme Ultra-Violet (EUV) spectroscopy that constrains transport closer to the edge. Using new atomic data sets for both XICS and EUV analysis has enabled consideration of line ratios across both spectral ranges and has increased the accuracy of inferred transport coefficients. Inclusion of charge exchange between edge thermal neutrals and impurities is shown to be extremely important in C-Mod pedestals. We obtain D atomic neutral densities from experimental D Ly-alpha measurements at the midplane and compare these to SOLPS-ITER simulations, finding good agreement. Bayesian inferences of impurity transport coefficients are presented for L-, EDA H-, and I-mode discharges, making use of the Aurora package for forward modeling and combining our spectroscopic constraints. Experimentally inferred diffusion profiles are found to match turbulent transport models at midradius within uncertainties, using both quasilinear gyro-fluid TGLF SAT-1 and nonlinear ion-scale gyrokinetic CGYRO simulations. Significant discrepancies in convection are observed in some cases, suggesting difficulties in predictions of flat or hollow impurity profiles.

研究の動機と目的

• トカマクにおけるクロスフィールド不純物輸送係数の実験的推定を、高分解能X線およびEUV分光法を活用することで改善すること。
• 全Ca Kαスペクトル（放射線線を含む）の包括的フォワードモデルの開発を目的とし、スペクトルの忠実性と輸送制約の精度を向上させること。
• より現実的なペディキュール輸送モデリングのため、熱中性子と不純物との間の電荷交換を輸送推定フレームワークに組み込むこと。
• SOLPS-ITERシミュレーションとギャロアクティブラインシミュレーションを用いて、実験的分光的制約と輸送モデルを比較して妥当性を検証すること。
• 乱流輸送モデル（TGLFおよびCGYRO）の予測能力を、実験的に推定された拡散および対流プロファイルと比較して評価すること。

提案手法

• 全Ca Kαスペクトル（共鳴線、禁制線、中間結合線、および衛星線を含む）を測定するため、高分解能X線イメージング・クリスタル分光法（XICS）を用いる。
• 放射再結合、ダイエレクトロニック再結合、電子衝突励起、および内殻過程を含む、atomDBデータベースからの新規原子データコンパイレーションを採用する。
• Aurora 1.5Dパッケージを用いた完全なベイジアン推論ワークフローを適用し、合成スペクトルが実験データと一致するまで、拡散（D）および対流（v）の径方向プロファイルを繰り返し調整する。
• XICSに加え、EUV分光法を用いてプラズマエッジ付近での不純物輸送を制約する。
• D Lyα測定値とSOLPS-ITER/EIRENEシミュレーションを用いて、エッジの熱中性子と不純物との間の電荷交換効果を組み込む。
• 推定された輸送プロファイルを、準線形（TGLF SAT-1）および非線形（CGYRO）ギャロアクティブラインシミュレーションと比較して検証する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 Alcator C-ModにおけるLモード、EDA Hモード、およびIモード放電の実験的推定径方向不純物拡散および対流プロファイルは、乱流輸送モデルの予測とどの程度一致するか？
• RQ2 エッジ中性子と不純物との間の電荷交換を組み込むことで、輸送係数推定の精度はどの程度向上するか？
• RQ3 衛星線を含む新しいフォワードモデルから生成された合成スペクトルは、測定されたXICSデータをどの程度正確に再現するか？
• RQ4 中間面における実験的D Lyα測定値と、最後の閉じた磁力線表面近傍のニュートラル密度を予測するSOLPS-ITERシミュレーションとの一致度はいかがなものか？
• RQ5 推定された対流プロファイルとモデル化されたプロファイルとの不一致は、現在の輸送モデル予測の限界をどのように示唆するか？

主な発見

• Lモード、EDA Hモード、およびIモード放電における不純物の実験的推定径方向拡散プロファイルは、中半径部において不確かさの範囲内で、準線形TGLF SAT-1および非線形CGYROギャロアクティブラインシミュレーションと良好に一致する。
• モデル予測と比較して、推定された対流プロファイルに顕著な不一致が観察され、平坦またはへこみのある不純物密度プロファイルのモデリングに課題があることを示唆する。
• C-Modペディキュール領域における輸送モデリングの正確性を高めるために、エッジ熱中性子と不純物との間の電荷交換を組み込むことが不可欠であることが判明した。
• 衛星線を含む全Ca Kαスペクトルの新しいフォワードモデルは、従来のモデルと比較して、スペクトル適合度と輸送係数の精度を顕著に向上させた。
• 中間面における実験的D Lyα測定値は、EIRENEニュートラルモデルを用いたSOLPS-ITERシミュレーションと良好に一致し、推定フレームワークで使用されるニュートラル密度予測の妥当性が検証された。
• XICSおよびEUVスペクトル範囲の両方で更新された原子データセットを用いることで、信頼性の高いライン比分析が可能となり、推定された輸送係数の信頼性が向上した。