[論文レビュー] Spectroscopic investigations of detachment on the MAST Upgrade Super-X divertor

K. Verhaegh, B. Lipschultz+18 more|arXiv (Cornell University)|Apr 5, 2022

Magnetic confinement fusion research参考文献 59被引用数 49

ひとこと要約

本研究は、MAST Upgrade Super-X divertorにおける剥離段階の最初の分光的分析を提示し、プラズマ-分子相互作用によって駆動される4つの逐次的段階を同定した。分子活性化再結合および解離（MAR/MAD）が水素Balmer線発光に顕著な影響を及えることが示され、Fulcherバンド発光がイオン化前線およびプラズマ温度の代理指標として機能することが判明した。深剥離状態では電子温度が1 eV未塔の状態が観測された。

ABSTRACT

We present the first analysis of the atomic and molecular processes at play during detachment in the MAST-U Super-X divertor using divertor spectroscopy data. Our analysis indicates detachment in the MAST-U Super-X divertor can be separated into four sequential phases: First, the ionisation region detaches from the target at detachment onset leaving a region of increased molecular densities downstream. The plasma interacts with these molecules, resulting in molecular ions ($D_2^+$ and/or $D_2^- ightarrow D + D^-$) that further react with the plasma leading to Molecular Activated Recombination and Dissociation (MAR and MAD), which results in excited atoms and significant Balmer line emission. Second, the MAR region detaches from the target leaving a sub-eV temperature region downstream. Third, an onset of strong emission from electron-ion recombination (EIR) ensues. Finally, the electron density decays near the target, resulting in a density front moving upstream. The analysis in this paper indicates that plasma-molecule interactions have a larger impact than previously reported and play a critical role in the intensity and interpretation of hydrogen atomic line emission characteristics on MAST-U. Furthermore, we find that the Fulcher band emission profile in the divertor can be used as a proxy for the ionisation region and may also be employed as a plasma temperature diagnostic for improving the separation of hydrogenic emission arising from electron-impact excitation and that from plasma-molecular interactions. We provide evidences for the presence of low electron temperatures ($<0.5$ eV) during detachment phases III-IV based on quantitative spectroscopy analysis, a Boltzmann relation of the high-n Balmer line transitions together with an analysis of the brightness of high-n Balmer lines.

研究の動機と目的

• MAST-U Super-X divertorにおけるdivertor剥離時の原子および分子過程を理解すること。
• 特に分子活性化再結合および解離（MAR/MAD）を含むプラズマ-分子相互作用が水素性発光をどのように形作るかを調査すること。
• Fulcherバンド発光の診断的有用性を評価し、イオン化前線の追跡およびプラズマ温度の推定に用いること。
• 高n Balmer線フィッティングと分光解析を用いて、剥離過程における電子温度および密度の変化を定量化すること。
• 低温度プラズマ状態（≪0.5 eV）がモデリングおよび核融合炉へのスケーリングに与える影響を評価すること。

提案手法

• MAST-Uのdivertor分光データの分析に注目し、水素Balmer線およびD2 Fulcherバンド発光を対象とする。
• Boltzmann分布解析を適用して、高n Balmer線フィッティングを用いて電子温度および密度を推定する。
• 剥離段階全体にわたるBalmer線挙動を模擬する簡略化された発光モデルの構築。
• 定量的分光解析を用いて、電子衝突励起による発光とプラズマ-分子相互作用による発光を区別する。
• 0.2 eV未塔の低温度領域におけるADAS原子データの最近傍補間を用い、低温度領域の不確実性を評価する。
• 発光プロファイルと磁気フラックス拡大およびdivertor幾何学的形状の相関をとることで、剥離の空間的進化を推定する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 プラズマ-分子相互作用は、Super-X divertorにおける剥離状態で水素Balmer線発光にどのように影響を与えるか？
• RQ2 Fulcherバンド発光はイオン化前線の代理指標として機能し、電子温度の診断に有効か？
• RQ3 剥離の4段階にわたる電子温度および密度の変化はいかなるものか？
• RQ4 MARやMADのような分子過程が、divertorにおける発光およびエネルギー散逸にどの程度寄与しているか？
• RQ5 電子温度が1 eV未塔の状態であることは、プラズマエッジモデリングおよび核融合炉へのスケーリングにどのような意味を持つか？

主な発見

• MAST-U Super-X divertorにおける剥離は、4つの明確な段階に分けられる：イオン化前線剥離、MAR/MAD発光ピーク剥離、電子-イオン再結合（EIR）発光の発生、および電子密度の上流へのバルクシフト。
• 分子活性化再結合および解離（MAR/MAD）が顕著な励起原子を生成し、特に段階IIにおいて強いBalmer線発光を引き起こす。
• Fulcherバンド発光の明るさはイオン化前線と相関し、イオン化領域の代理指標および温度診断として使用可能であり、Te ≈ 0.7 eVで発光がピークに達することが判明した。
• 高n Balmer線フィッティングおよびBoltzmann解析の結果、段階IIIおよびIVで電子温度が1 eV未塔（≪0.5 eV、Te < 0.2 eVの初期的兆候あり）である証拠が得られた。
• 段階IVではターゲット近傍の電子密度が顕著に低下し、ne ≪ 1 × 10^19 m⁻³に達したが、段階I～IIIでは比較的低い水準（ne < 2 × 10^19 m⁻³）を維持した。
• プラズマ-分子相互作用、特にMAR/MADは、従来報告されたよりも水素性発光に大きな影響を及ぼしており、診断解釈およびモデリングにおいて考慮すべきである。