[논문 리뷰] Spectroscopic investigations of detachment on the MAST Upgrade Super-X divertor

K. Verhaegh, B. Lipschultz외 18명|arXiv (Cornell University)|2022. 04. 05.

Magnetic confinement fusion research참고 문헌 59인용 수 49

한 줄 요약

이 연구는 MAST 업그레이드 슈퍼-엑스 디버터에서 탈리브 단계에 대한 최초의 분광 분석을 제시하며, 플라즈마-분자 상호작용에 의해 이끄는 네 단계로 나뉘는 순차적 과정을 규명한다. 분자의 활성화 재결합 및 해리(MAR/MAD)가 수소 발마르 선 방출에 중대한 영향을 미친다는 것을 입증하며, 풀처 밴드 방출은 이온화 front와 플라즈마 온도의 프록시로 기능하며, 깊은 탈리브 상태에서 1eV 이하의 전자 온도가 관측된다는 것을 보여준다.

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.

연구 동기 및 목표

• MAST-U 슈퍼-엑스 디버터에서 디버터 탈리브 과정 동안의 원자 및 분자 과정을 이해하기 위해.
• 특히 분자의 활성화 재결합 및 해리(MAR/MAD)와 같은 플라즈마-분자 상호작용이 수소성 방출을 어떻게 형성하는지 조사하기 위해.
• 풀처 밴드 방출이 이온화 front 추적 및 플라즈마 온도 추정에 있어 진단 유용성 평가하기 위해.
• 고n 발마르 선 피팅 및 분광 분석을 통해 탈리브 과정 중 전자 온도 및 밀도 변화를 정량화하기 위해.
• 낮은 온도 플라즈마 상태(≪0.5 eV)가 모델링 및 fusion 반응기 외삽에 미치는 영향 평가하기 위해.

제안 방법

• MAST-U의 디버터 분광 데이터 분석에 초점을 맞추며, 수소 발마르 선 및 D2 풀처 밴드 방출을 대상으로 한다.
• 전자 온도 및 밀도 추론을 위해 고n 발마르 선 피팅을 적용하고, 볼츠만 분포 분석을 수행한다.
• 탈리브 단계 전반에 걸쳐 기대되는 발마르 선 행동을 시뮬레이션하기 위한 단순화된 방출 모델 개발.
• 전자 충격 여기와 플라즈마-분자 상호작용을 구분하기 위해 정량적 분광 기법 적용.
• 0.2 eV 이하의 저온 영역에서 ADAS 원자 데이터에 대해 근접 이웃 외삽법을 사용하여 저온 영역에서의 불확도 평가.
• 자기력 확산 및 디버터 기하학과의 상관관계를 통해 탈리브의 공간적 진전 추론하기.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 플라즈마-분자 상호작용은 슈퍼-엑스 디버터에서 탈리브 과정 동안 수소 발마르 선 방출에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ2 풀처 밴드 방출은 이온화 front의 프록시로 기능하고, 전자 온도 진단 도구로 활용될 수 있는가?
• RQ3 탈리브의 네 단계 동안 전자 온도 및 밀도는 어떻게 변화하는가?
• RQ4 MAR 및 MAD와 같은 분자 과정이 디버터 내 방출 및 에너지 소산에 얼마나 기여하는가?
• RQ5 1eV 이하의 전자 온도는 플라즈마 가장자리 모델링 및 반응기 외삽에 어떤 영향을 미치는가?

주요 결과

• MAST-U 슈퍼-엑스 디버터에서의 탈리브 과정은 네 개의 명확한 단계로 진행된다: 이온화 front 탈리브, MAR/MAD 방출 피크 탈리브, 전자-이온 재결합(EIR) 방출 시작, 전자 밀도의 상류로의 대체.
• 분자의 활성화 재결합 및 해리(MAR/MAD)는 강력한 흥(excited) 원자를 생성하여, 특히 제2단계에서 두드러진 발마르 선 방출을 유도한다.
• 풀처 밴드 방출 밝기는 이온화 front와 관련이 있으며, 이온화 영역의 프록시 및 온도 진단 도구로 사용될 수 있으며, Te ≈ 0.7 eV에서 방출이 최대에 이른다.
• 고n 발마르 선 피팅 및 볼츠만 분석을 통해 제3 및 제4단계에서 1eV 이하의 전자 온도(≪0.5 eV, Te < 0.2 eV의 초도 징후 포함)가 관측된다는 증거를 확보하였다.
• 제4단계에서는 타겟 근처 전자 밀도가 크게 감소하여 ne ≪ 1 × 10^19 m⁻³ 수준에 도달하는 반면, 제1~제3단계에서는 상대적으로 낮은 수준(ne < 2 × 10^19 m⁻³)을 유지한다.
• 플라즈마-분자 상호작용, 특히 MAR/MAD는 이전에 보고된 것보다 수소성 방출에 더 큰 영향을 미치며, 진단 해석 및 모델링에서 고려되어야 한다.