[论文解读] Mitigation of plasma-wall interactions with low-Z powders in DIII-D high confinement plasmas

F. Effenberg, A. Bortolon+12 more|arXiv (Cornell University)|Mar 28, 2022

Fusion materials and technologies参考文献 56被引用 18

一句话总结

本研究证明，在DIII-D装置高约束等离子体的偏滤器中注入低Z粉末（锂、硼、氮化硼）可有效缓解等离子体-壁相互作用，通过增强偏滤器辐射和实现持续的分离状态。在54 mg/s的氮化硼注入速率下，中性粒子压缩显著提升一个数量级以上，热流密度降低，同时壁面条件改善，回收率和杂质含量减少，核心约束性能仅下降5%。

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.

研究动机与目标

• 研究利用低Z粉末注入作为高约束聚变等离子体中等离子体-壁相互作用缓解方法的可行性，该方法与核心-边缘兼容。
• 评估锂、硼和氮化硼粉末在增强偏滤器功率耗散和实现分离状态方面的有效性。
• 评估粉末注入对核心等离子体能量约束和壁面回收的影响。
• 探索粉末注入作为实时壁面调理技术的潜力，以减少固有碳和氧的流入。

提出的方法

• 通过重力供料滴管系统将粉末注入DIII-D装置上部小角度槽（SAS）偏滤器。
• 在H模等离子体中，以3至204 mg/s的速率在2秒间隔内注入锂、硼和氮化硼粉末。
• 利用朗缪尔探针、压力计、可见光/切向相机以及多弦偏滤器光谱仪（MDS）诊断偏滤器等离子体条件。
• 通过气体输入与电子密度比值及表面沉积速率测量，评估壁面条件的变化。
• 采用非冕状功率损失函数LZ(Te, neτ)模拟辐射冷却效率，考虑非平衡边缘等离子体条件。
• 通过存储磁能（Wmhd）、中子率和ELM频率监测等离子体性能，评估核心-边缘兼容性。

实验结果

研究问题

• RQ1 低Z粉末注入是否能在不降低核心能量约束的前提下，在高约束DIII-D等离子体中实现持续的偏滤器分离？
• RQ2 不同低Z粉末（Li、B、BN）在增强偏滤器辐射和中性粒子压缩方面的表现如何比较？
• RQ3 粉末注入对等离子体面向部件中固有的壁面回收率和杂质含量（C、O）有何影响？
• RQ4 在高注量率下，粉末注入是否会触发有害的MHD模态（如撕裂模态），若会，其发生条件是什么？
• RQ5 粉末注入在多大程度上可作为实时壁面调理技术，以减少高Z杂质源？

主要发现

• 在54 mg/s的氮化硼（BN）粉末注入速率下，偏滤器中性粒子压缩提升超过一个数量级，并实现了持续的分离状态。
• 在204 mg/s的注入速率下，BN注入降低了到达偏滤器的ELM通量，但触发了n=2撕裂模态，导致核心能量约束下降24%且中子率降低。
• 在四次放电中注入166 mg硼粉，显著改善了壁面调理比（气体输入与电子密度之比），提升约100倍。
• 由于每10 mg/s注入粉末在壁面沉积约1 nm/s的低Z涂层，壁面回收率、碳和氧的流入量均显著降低。
• 锂和BN粉末在提升中性粒子压缩和降低热流密度方面优于硼，其中BN同时具备B和N的辐射效率优势。
• 粉末注入表现出核心-边缘兼容性，在最优BN注入速率下，核心能量约束仅下降5%，同时显著改善了壁面条件。