[논문 리뷰] Mitigation of plasma-wall interactions with low-Z powders in DIII-D high confinement plasmas

F. Effenberg, A. Bortolon외 12명|arXiv (Cornell University)|2022. 03. 28.

Fusion materials and technologies참고 문헌 56인용 수 18

한 줄 요약

이 연구는 DIII-D의 고 confinement 플라즈마의 디버터에 저원자번호(저Z) 분말—리튬, 볼로늄, 볼로늄 질화물—을 주입하여 플라즈마-벽 상호작용을 효과적으로 완화함을 보여준다. 이는 디버터 복사 증가와 지속적인 탈리브를 통해 이루어지며, 볼로늄 질화물(54 mg/s) 주입 시 중성 압축이 10배 이상 증가하고 열류가 감소한다. 이와 함께 벽 조건도 개선되어 재순환과 불순물 농도가 감소하지만, 핵심 플라즈마 에너지 격리에 미치는 영향은 최소화된다(5% 감소).

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.

연구 동기 및 목표

• 고 confinement fusion 플라즈마에서 플라즈마-벽 상호작용을 완화하기 위한 핵심-간극 호환 가능한 방법으로 저Z 분말 주입의 가능성을 조사하는 것.
• 리튬, 볼로늄, 볼로늄 질화물 분말이 디버터 전력 소산 능력 향상과 탈리브 달성에 얼마나 효과적인지 평가하는 것.
• 분말 주입이 핵심 플라즈마 에너지 격리 및 벽 재순환에 미치는 영향을 평가하는 것.
• 분말 주입이 고원자번호 불순물 공급원을 줄이기 위한 실시간 벽 조절 기법으로서의 잠재력을 탐색하는 것.

제안 방법

• 분말 주입은 DIII-D의 상부 소각도 슬롯(SAS) 디버터에 중력식 드롭퍼 시스템을 통해 실시되었다.
• 리튬, 볼로늄, 볼로늄 질화물 분말이 H-모드 플라즈마에서 2초 간격으로 3~204 mg/s의 속도로 주입되었다.
• 디버터 플라즈마 조건은 랑무어 프로브, 압력계, 가시광선/경사 카메라, 다중결합 디버터 스펙트럼계(MDS)를 사용해 진단되었다.
• 벽 조건은 기체 공급 대 전자 밀도 비율과 표면 침착 속도 측정을 통해 재순환, 탄소 및 산소 농도 변화를 평가하였다.
• 비균형적 외부 플라즈마 조건을 고려하기 위해 비관류 전력 손실 함수 LZ(Te, neτ)를 사용하여 복사 냉각 효율을 모델링하였다.
• 핵심-간극 호환성을 평가하기 위해 저장 자기 에너지(Wmhd), 중성자 비율, ELM 주기 등을 모니터링하여 플라즈마 성능을 관찰하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 저Z 분말 주입이 핵심 에너지 격리가 악화되지 않는 조건에서 고 confinement DIII-D 플라즈마에서 지속적인 디버터 탈리브를 달성할 수 있는가?
• RQ2 리튬(Li), 볼로늄(B), 볼로늄 질화물(BN) 등 다양한 저Z 분말이 디버터 복사 및 중성 압축 능력을 얼마나 효과적으로 향상시키는가?
• RQ3 분말 주입이 플라즈마가 접촉하는 구성 요소 내 고유의 재순환 및 불순물 농도(C, O)에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ4 고속 주입 시 토레셔닝 모드 등 유해한 MHD 모드가 유도되는가? 만약 그렇다면 어떤 조건에서 발생하는가?
• RQ5 분말 주입이 고원자번호 불순물 공급원을 줄이기 위한 실시간 벽 조절 기법으로서 얼마나 효과적인가?

주요 결과

• 54 mg/s의 볼로늄 질화물(BN) 분말 주입은 디버터 중성 압축을 10배 이상 증가시키고 지속적인 탈리브를 달성하였다.
• 204 mg/s 주입 시 ELM-유도 열류는 감소했지만, n = 2 토레셔닝 모드가 유도되어 핵심 에너지 격리가 24% 감소하고 중성자 비율도 감소하였다.
• 4개의 디스charges 동안 총 166 mg의 볼로늄 분말 주입으로 벽 조절 비율(기체 공급 대 전자 밀도 비율)이 약 100배 향상되었다.
• 10 mg/s의 분말 주입 속도당 약 1 nm/s의 저Z 코팅 침착으로 재순환, 탄소 및 산소 유입이 크게 감소하였다.
• 리튬과 BN 분말은 볼로늄보다 중성 압축 증가 및 열류 감소에 더 효과적이었으며, BN은 B와 N의 복사 효율을 모두 결합하고 있었다.
• 분말 주입은 핵심-간극 호환성을 입증하였으며, 최적의 BN 주입 속도에서 핵심 에너지 격리(Wmhd)는 단지 5% 감소하였고, 벽 조건은 향상되었다.