[论文解读] Collisional radiative modelling with improved cross sections to investigate plasma molecular interactions in divertor plasmas

Stijn Kobussen|arXiv (Cornell University)|Nov 28, 2023

Magnetic confinement fusion research被引用 4

一句话总结

本研究基于Laporta和MCCCDB数据库中改进的从头计算截面，开发了一种碰撞辐射模型（CRM），以更准确地模拟MAST-U Super-X偏滤器等离子体中的分子过程。通过用更精确的振动态分辨速率系数替代传统的Eirene表格化速率，CRM显著提升了分子活化复合（MAR）和分子活化离解（MAD）过程，从而与实验数据的吻合度明显提高，凸显了分子相互作用在深度等离子体脱离过程中的关键作用。

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.

研究动机与目标

• 为解决SOLPS模拟与MAST-U及TCV偏滤器等离子体在深度脱离条件下的实验结果之间的差异。
• 评估传统Eirene表格化速率系数在等离子体-分子相互作用中的准确性，特别是分子电荷交换过程。
• 基于Laporta和MCCCDB数据库中改进的振动分辨截面，开发一种更精确的碰撞辐射模型（CRM）。
• 量化分子过程（尤其是MAR与MAD）对低温偏滤器条件下辐射功率损失和振动分布的影响。
• 评估在未来聚变反应堆（如DEMO）中，对等离子体边缘建模时重新评估反应速率的必要性。

提出的方法

• 利用CRUMPET Python工具构建了0维碰撞辐射模型（CRM），以模拟氘分子中的激发态种群分布。
• 从Laporta和MCCCDB数据库中获取了针对D₂的电子碰撞截面，涵盖激发、离解、电离和附着过程。
• 应用详细平衡原理与Franck-Condon因子，将截面扩展至所有振动跃迁，以支持速率系数的计算。
• 通过热平均化将截面转换为速率系数，并采用多项式拟合方法将其表示为电子温度的函数。
• 利用基于氢数据推导的标度公式，引入振动-振动交换（VVE）速率，并根据温度依赖性进行调整。
• 采用Verhaegh等人（2023）提出的原子与分子密度标度定律，评估原子过程与分子过程的相对贡献。

实验结果

研究问题

• RQ1 在MAST-U Super-X偏滤器等离子体中，采用改进的振动分辨速率系数在多大程度上减少了SOLPS模拟与实验数据之间的差异？
• RQ2 分子过程（如分子活化复合（MAR）与分子活化离解（MAD））在深度脱离条件下对功率与粒子损失的贡献如何？
• RQ3 在CRM模拟中完整引入振动态分辨对预测的辐射发射光谱有何影响？
• RQ4 不同反应路径（如电子碰撞激发与离解附着）对D₂振动分布的影响如何？
• RQ5 当前的Eirene表格化速率在低温、高中性密度的偏滤器区域建模分子相互作用时，其不足之处在多大程度上显现？

主要发现

• 采用Laporta和MCCCDB数据库中改进截面的CRM，与实验数据的吻合度显著优于使用传统Eirene表格化速率的模拟结果。
• 观察到分子活化复合（MAR）和分子活化离解（MAD）速率明显增加，表明分子过程在功率与粒子损失中扮演更关键的作用。
• D₂的振动分布对引入态分辨电子碰撞截面（尤其是激发与离解过程）极为敏感。
• 基于CRM计算的辐射发射光谱表现出显著特征，其依赖于反应速率模型；使用改进截面时，特定谱带的发射显著增强。
• 本研究证实，为Super-X等先进偏滤器构型中的准确等离子体边缘建模，必须重新评估等离子体-分子相互作用的反应速率。
• 采用D与D₂密度的标度定律表明，分子过程在较低电子温度下变得愈发占主导地位，尤其在深度脱离条件下。