[論文レビュー] Mitigation of plasma-wall interactions with low-Z powders in DIII-D high confinement plasmas

F. Effenberg, A. Bortolon+12 more|arXiv (Cornell University)|Mar 28, 2022

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ひとこと要約

本研究では、DIII-Dの高閉じ込めモードプラズマのダイバータに低原子番号（Z）の粉末（リチウム、ボロン、窒化ホウ素）を注入することで、ダイバータ放射の増大と持続的脱離の達成により、プラズマ-壁相互作用が効果的に緩和されることを示している。窒化ホウ素（BN）を54 mg/sで注入した場合、中性子圧縮が10倍以上増加し、熱フラックスが低減した。また、再結合と不純物含有量が減少し、壁状態が改善されたが、コア閉じ込めへの影響は最小限（Wmhdが5%低下）であった。

ABSTRACT

Experiments with low-Z powder injection in DIII-D high confinement discharges demonstrated increased divertor dissipation and detachment while maintaining good core energy confinement. Lithium (Li), boron (B), and boron nitride (BN) powders were injected in high-confinement mode plasmas ($I_p=$1 MA, $B_t=$2 T, $P_{NB}=$6 MW, $\langle n_e angle=3.6-5.0\cdot10^{19}$ m$^{-3}$) into the upper small-angle slot (SAS) divertor for 2-s intervals at constant rates of 3-204 mg/s. The multi-species BN powders at a rate of 54 mg/s showed the most substantial increase in divertor neutral compression by more than an order of magnitude and lasting detachment with minor degradation of the stored magnetic energy $W_{mhd}$ by 5%. Rates of 204 mg/s of boron nitride powder further reduce ELM-fluxes on the divertor but also cause a drop in confinement performance by 24% due to the onset of an $n=2$ tearing mode. The application of powders also showed a substantial improvement of wall conditions manifesting in reduced wall fueling source and intrinsic carbon and oxygen content in response to the cumulative injection of non-recycling materials. The results suggest that low-Z powder injection, including mixed element compounds, is a promising new core-edge compatible technique that simultaneously enables divertor detachment and improves wall conditions during high confinement operation.

研究の動機と目的

• 高閉じ込めモード核融合プラズマにおけるプラズマ-壁相互作用を緩和するためのコア-エッジ適合型手法として、低Z粉末注入の実現可能性を調査すること。
• リチウム、ボロン、窒化ホウ素粉末がダイバータのエネルギー散逸を向上させ、脱離を達成する効果を評価すること。
• 粉末注入がコアプラズマのエネルギー閉じ込めおよび壁再結合に与える影響を評価すること。
• 粉末注入が、内在的炭素および酸素インフラクスを低減するためのリアルタイム壁条件調整技術としての可能性を検討すること。

提案手法

• 粉末注入は、DIII-Dの上部小角度スロット（SAS）ダイバータに重力供給式ドロッパー装置を用いて実施された。
• リチウム、ボロン、窒化ホウ素粉末を、Hモードプラズマにおいて2秒間隔で3～204 mg/sのレートで注入した。
• ダイバータプラズマ状態は、ラングミュアプローブ、圧力計、可視光/タングェンシャルカメラ、およびマルチ弦ダイバータ分光計（MDS）を用いて診断された。
• 壁状態は、ガス入力対電子密度比および表面堆積速度の測定を通じて再結合、炭素、酸素含有量の変化を評価した。
• 非冠状のエネルギー損失関数 LZ(Te, neτ) を用いて、非平衡なエッジプラズマ条件を考慮した放射冷却効率をモデル化した。
• コア-エッジ適合性を評価するため、貯蔵磁気エネルギー（Wmhd）、中性子生成率、ELM周波数をモニタリングした。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 低Z粉末注入は、コアエネルギー閉じ込めを劣化させることなく、高閉じ込めDIII-Dプラズマで持続的ダイバータ脱離を達成できるか？
• RQ2 リチウム（Li）、ボロン（B）、窒化ホウ素（BN）といった異なる低Z粉末は、ダイバータ放射および中性子圧縮を向上させる能力においてどのように比較できるか？
• RQ3 粉末注入は、プラズマ面材への再結合および不純物含有量（C、O）にどのような影響を及えるか？
• RQ4 高レートでの粉末注入は、破壊的MHDモード（例：引き裂きモード）を誘発するか？その場合、どのような条件下で発生するか？
• RQ5 粉末注入は、高Z不純物源を低減するためのリアルタイム壁条件調整技術として、どの程度の効果を示せるか？

主な発見

• 窒化ホウ素（BN）粉末を54 mg/sで注入した場合、ダイバータの中性子圧縮が10倍以上増加し、持続的脱離が達成された。
• 204 mg/sのレートでBNを注入した場合、ELMフラックスが低下したが、n = 2の引き裂きモードが誘発され、コアエネルギー閉じ込めが24%低下し、中性子生成率も低下した。
• 4回の放電にわたり166 mgのボロン粉末を注入することで、壁条件比（ガス入力対電子密度）が約100倍向上した。
• 10 mg/sの粉末注入レートあたり約1 nm/sの低Z被膜が堆積することで、再結合、炭素、酸素インフラクスが顕著に低減した。
• リチウムおよびBN粉末はボロンよりも中性子圧縮の増大および熱フラックスの低減においてより効果的であり、BNはBとNの両方の放射効率を併せ持っていた。
• 粉末注入はコア-エッジ適合性を示し、最適なBNレートでWmhdがわずかに5%低下する程度で、良好なコアエネルギー閉じ込めを維持しながら、壁状態が改善された。