[논문 리뷰] Collisional radiative modelling with improved cross sections to investigate plasma molecular interactions in divertor plasmas

Stijn Kobussen|arXiv (Cornell University)|2023. 11. 28.

Magnetic confinement fusion research인용 수 4

한 줄 요약

이 연구는 MAST-U Super-X 도자이버터 플라즈마에서 분자 과정을 더 잘 시뮬레이션하기 위해 Laporta 및 MCCCDB 데이터베이스에서 확보한 향상된 배치 기반 단면적을 사용하여 충돌성 방사 모델(CRM)을 개발한다. 기존의 Eirene 표값 비율을 더 정확한 진동 상태 해상도를 가진 비율 계수로 대체함으로써, CRM은 분자 활성화 재결합(MAR)과 분해(MAD)가 크게 향상되어 실험 데이터와의 일치도가 향상되었으며, 깊은 플라즈마 탈리브레이션에서 분자 상호작용의 핵심적 역할을 부각시킨다.

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.

연구 동기 및 목표

• MAST-U 및 TCV 도자이버터 플라즈마에서 깊은 탈리브레이션 조건에서 SOLPS 시뮬레이션과 실험 결과 간의 격차를 해결하기 위해.
• 특히 분자 전하 교환에 관여하는 전통적인 Eirene 표값 비율 계수의 정확도를 평가하기 위해.
• Laporta 및 MCCCDB 데이터베이스에서 확보한 향상된 진동 상태 해상도를 가진 단면적을 사용하여 더 정확한 충돌성 방사 모델(CRM)을 개발하기 위해.
• 특히 MAR 및 MAD와 같은 분자 과정이 저온 도자이버터 조건에서 복사 에너지 손실과 진동 분포에 미치는 영향을 정량화하기 위해.
• 미래의 fusion 반응로인 DEMO와 같은 첨단 도자이버터 구성에서 플라즈마 가장자리 모델링을 위한 반응 비율 재평가의 필요성을 평가하기 위해.

제안 방법

• 데어터이드 분자에서의 자극 상태 분포를 시뮬레이션하기 위해 CRUMPET 파이썬 도구를 사용하여 0차원 충돌성 방사 모델(CRM)을 구축하였다.
• D₂에 대해 전자 충격 단면적(자극, 해리, 이온화, 첨부)을 Laporta 및 MCCCDB 데이터베이스에서 확보하였다.
• 세부 균형 및 프랑크-콘도인 요소를 적용하여 단면적을 모든 진동 전이로 확장하고 비율 계수 계산을 가능하게 하였다.
• 열 평균화를 통해 단면적을 비율 계수로 변환하고, 다항식 피팅을 사용하여 전자 온도 함수로 피팅하였다.
• 수소 데이터에서 유도된 온도 의존성 조정이 적용된 스케일링 공식을 사용하여 진동-진동 교환(VVE) 비율을 포함하였다.
• Verhaegh 등(2023)의 원자 및 분자 농도에 대한 스케일링 법칙을 사용하여 원자적 과정과 분자적 과정 간 기여도의 상대적 기여도를 평가하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 향상된 진동 상태 해상도를 가진 비율 계수는 MAST-U Super-X 도자이버터 플라즈마에서 SOLPS 시뮬레이션과 실험 데이터 간의 격차를 어느 정도 감소시키는가?
• RQ2 분자 활성화 재결합(MAR) 및 분자 활성화 해리(MAD)와 같은 분자 과정이 깊은 탈리브레이션 조건에서 에너지 손실과 입자 손실에 기여하는 정도는 어떠한가?
• RQ3 CRM 시뮬레이션에 전체 진동 상태 해상도를 포함할 경우 예측된 복사 에너지 스펙트럼에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ4 다양한 반응 경로(예: 전자 충격 자극 대 비분리 첨부)는 D₂의 진동 분포에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ5 현재의 Eirene 표값 비율은 저온, 고중성 농도의 도자이버터 조건에서 분자 상호작용을 모델링하는 데 어느 정도 부적합한가?

주요 결과

• Laporta 및 MCCCDB 데이터베이스에서 확보한 향상된 단면적을 사용한 CRM은 기존의 Eirene 표값 비율을 사용한 시뮬레이션보다 실험 데이터와 훨씬 더 잘 일치하는 것으로 나타났다.
• 분자 활성화 재결합(MAR)과 분자 활성화 해리(MAD) 비율이 증가한 것으로 관측되어 분자 과정이 에너지 손실과 입자 손실에 더 강력한 기여를 한다는 점을 시사한다.
• D₂의 진동 분포는 특히 자극 및 해리에 대해 상태 해상도를 가진 전자 충격 단면적의 포함 여부에 매우 민감한 것으로 밝혀졌다.
• CRM에서 계산된 복사 에너지 스펙트럼은 반응 비율 모델에 따라 명백한 특징을 보였으며, 향상된 단면적을 사용할 경우 특정 밴드에서 복사 에너지가 증가하였다.
• 이 연구는 Super-X와 같은 첨단 도자이버터 구성에서 정확한 플라즈마 가장자리 모델링을 위해 플라즈마-분자 상호작용에 대한 반응 비율 재평가가 필수적임을 확인하였다.
• D 및 D₂ 농도에 대한 스케일링 법칙을 사용한 결과, 전자 온도가 낮아질수록 특히 깊은 탈리브레이션 조건에서 분자 과정의 기여가 점점 더 우세해지는 것으로 나타났다.