[论文解读] Experimental Inference of Neutral and Impurity Transport in Alcator C-Mod Using High-Resolution X-Ray and Ultra-Violet Spectra

F. Sciortino, N. T. Howard+11 more|arXiv (Cornell University)|Jul 28, 2021

Magnetic confinement fusion research参考文献 121被引用 12

一句话总结

本研究提出了一种新颖的贝叶斯推断框架，利用高分辨率X射线（XICS）和极紫外（EUV）光谱法，实验约束阿尔卡托尔C-Mod等离子体中中性粒子和杂质的输运行为。通过整合完整的Ca Kα光谱建模（包括卫星线）以及边缘中性粒子与杂质之间的电荷交换过程，该方法在推断的扩散与对流分布函数方面实现了更高的精度，其结果在中等半径处与湍流输运模型吻合良好，但在对流预测方面显示出差异。

ABSTRACT

We present experimental inferences of cross-field impurity transport coefficients for Alcator C-Mod plasmas using a novel forward model for the entire Ca K-alpha spectrum, including satellite lines within the spectral range, to compare to high-resolution X-ray Imaging Crystal Spectroscopy (XICS). These measurements are complemented by Extreme Ultra-Violet (EUV) spectroscopy that constrains transport closer to the edge. Using new atomic data sets for both XICS and EUV analysis has enabled consideration of line ratios across both spectral ranges and has increased the accuracy of inferred transport coefficients. Inclusion of charge exchange between edge thermal neutrals and impurities is shown to be extremely important in C-Mod pedestals. We obtain D atomic neutral densities from experimental D Ly-alpha measurements at the midplane and compare these to SOLPS-ITER simulations, finding good agreement. Bayesian inferences of impurity transport coefficients are presented for L-, EDA H-, and I-mode discharges, making use of the Aurora package for forward modeling and combining our spectroscopic constraints. Experimentally inferred diffusion profiles are found to match turbulent transport models at midradius within uncertainties, using both quasilinear gyro-fluid TGLF SAT-1 and nonlinear ion-scale gyrokinetic CGYRO simulations. Significant discrepancies in convection are observed in some cases, suggesting difficulties in predictions of flat or hollow impurity profiles.

研究动机与目标

• 通过利用高分辨率X射线与EUV光谱法，提升托卡马克中跨场杂质输运系数的实验推断精度。
• 构建完整的Ca Kα光谱前向模型，包括卫星线，以提升光谱保真度与输运约束的准确性。
• 在输运推断框架中引入热中性粒子与杂质之间的电荷交换效应，实现更真实的边缘堆芯输运建模。
• 通过将实验光谱约束与SOLPS-ITER模拟及涡旋动力学模拟进行对比，验证输运模型。
• 评估湍流输运模型（TGLF与CGYRO）对实验推断的扩散与对流分布函数的预测能力。

提出的方法

• 利用高分辨率X射线成像晶体光谱法（XICS）测量完整的Ca Kα光谱，包括共振线、禁戒线、三重线及卫星线。
• 采用来自atomDB数据库的新原子数据汇编，涵盖辐射复合、双电子复合、电子激发碰撞及内壳层过程。
• 应用完全贝叶斯推断工作流，使用Aurora 1.5D软件包，通过迭代调整扩散（D）与对流（v）的径向分布，直至合成光谱与实验数据匹配。
• 辅以极紫外（EUV）光谱法，以更紧密约束靠近离子体边缘的杂质输运行为。
• 利用D Lyα测量与SOLPS-ITER/EIRENE模拟，将边缘热中性粒子与杂质之间的电荷交换效应纳入输运推断框架。
• 将推断的输运分布与准线性（TGLF SAT-1）与非线性（CGYRO）涡旋动力学模拟进行对比验证。

实验结果

研究问题

• RQ1 在阿尔卡托尔C-Mod中，实验推断的杂质扩散与对流径向分布与湍流输运模型的预测相比如何？
• RQ2 在模型中引入边缘中性粒子与杂质之间的电荷交换效应，能在多大程度上提升输运系数推断的准确性？
• RQ3 包含卫星线的新前向模型生成的合成光谱，与实测XICS数据的拟合程度如何？
• RQ4 实验测得的D Lyα信号与SOLPS-ITER模拟的最后闭合磁面附近中性粒子密度的吻合程度如何？
• RQ5 推断的对流分布与模型预测之间的差异，在哪些方面揭示了当前输运模型预测能力的局限性？

主要发现

• 在L模、EDA H模及I模放电中，实验推断的杂质径向扩散分布与中等半径处的准线性TGLF SAT-1与非线性CGYRO涡旋动力学模拟结果在不确定度范围内高度一致。
• 与模型预测相比，推断的对流分布存在显著差异，提示当前模型在描述平坦或空心杂质密度分布方面存在挑战。
• 在C-Mod边缘堆芯区域，包含边缘热中性粒子与杂质之间电荷交换效应的建模被证明对实现准确输运模拟至关重要。
• 新构建的完整Ca Kα光谱前向模型（包含卫星线）相比以往模型，显著提升了光谱拟合质量与输运系数的准确性。
• 中平面实验测得的D Lyα信号与SOLPS-ITER模拟结果（采用EIRENE中性模型）吻合良好，验证了推断框架中所用中性粒子密度预测的可靠性。
• 在XICS与EUV光谱波段均采用更新的原子数据集，使线强比分析更加稳健，从而增强了推断输运系数的可靠性。