POWER EXHAUST DATA ANALYSIS AND MODELING OF ADVANCED DIVERTOR CONFIGURATIONS

The possibility to exploit fusion energy in a reliable, safe and available way is one of the greatest challenges in the worldwide research. Very hot magnetically confined plasma are required to achieve high rates of fusion reactions. However, these conditions are not compatible with the material facing the plasma. In order to protect the wall, a hot core confined region is created while most of the power and particles are ultimately exhausted in a properly design component of the reactor, the so-called divertor. The Ph.D. activity presented in this thesis is carried out in the framework of EUROfusion program for the realization of a Demonstration power plant (DEMO) by the years 2050 . One of the most critical aspects has been recognized in the exhaust of huge amount of power which can severely damage the plasma facing component (PFC). Therefore, the analysis of the plasma conditions in the divertor region is essential to asses the reliability and the feasibility of a fusion reactor machine. In order to mitigate the power exhaust issue the fusion community is currently investigating several possible solutions as the use of alternative magnetic divertor configurations (AC) or the use of liquid metal as PFC. This thesis focuses on the study of the Scrape off Layer (SOL), the region where the particles coming out of the core are diverted towards the target plates. The modelling is performed by means of 2D edge codes on future and existing fusion reactors. The first point in the analysis is the assessment of the edge plasma conditions in DEMO by considering a set of simplifying assumptions and taking into account a possible set of reference parameters. A scoping study is performed to evaluate the behaviour of the SOL plasma by varying the density and the transport coefficients. The numerical simulations are performed by means of the EDGE2D-EIRENE code. The results of the calculations predict divertor conditions totally unacceptable from an operational point of view. Most importantly, since the most used and validated code available in the fusion community are not able to deal with ACs, we perform a benchmark between EDGE2D-EIRENE and TECXY. The latter is a simple and fast code able to treat ACs. Despite the differences in the physical model adopted by the two numerical tools, the results shows a good match, especially in terms of power loads on the target plates and general trends of global quantities. On the other hand, discrepancies are observed in the electron density and temperature profiles on the outer divertor primarily due to the different numerical models adopted for the neutral particles description. As a second step, we perform the analysis of an AC by comparing a conventional Single Null (SN) and a Quasi snowflake (QSF, characterized by a transition from Snowflake to X-Divertor configurations) magnetic configurations of DTT (Divertor Test Tokamak). The modelling is performed by means of EDE2D-EIRENE. The scoping study obtained by varying the upstream density investigates three different aspects: the effect on the attainment of the detachment, the effect on the power loads and the effect on the neutral particles behaviour. The simulations show that the QSF configuration is more prone to reach detached divertor conditions than the SN configurations. Furthermore, while in SN unacceptable power loads are foreseen onto the outer target plates, in case of QSF manageable values of the power peaks are obtained. This difference is primarily due to geometrical factors, especially the main driver is recognized in the flaring of the flux surfaces in the divertor region. By analysing the neutral particles behaviour, we see that a better confinement is achieved in QSF than in SN since the ionization front is not able to move towards the X-point. A preliminary analysis of liquid lithium divertor is also discussed. Since we simulate regimes dominated by the sputtering, minor differences are observed by comparing the liquid lithium divertor and the standard Tungsten one. The last point of the research activity concerns the use of a different 2D edge code, i.e. SOLEDGE2D-EIRENE. Thanks to the high flexibility, this code is able to treat ACs. We discuss the preliminary results of a validation phase carried out by comparing the numerical results with the experimental one. While the upstream profiles are fairly reproduced by varying the diffusion coefficients, the target quantities shows mismatches in terms of electron density and temperature whereas the power profile is partially recovered. The results are then compared in terms of radiation distribution. The code is able to reproduce the 2D distribution in the high field side, even though discrepancies on the inner divertor baffle are observed. Finally, we show that improvements can be obtained by suitably defining the recycling coefficient.

La possibilitá di poter sfruttare l’energia da fusione in modo affidabile, sicuro and con alta disponibilitá é una delle piú grandi sfide della ricerca mondiale. Plasmi ad altissima temperatura confinati magneticamente sono necessari per raggiungere alti tassi di reazioni di fusione. Tuttavia queste condizioni non sono compatibili con i materiali affacciati sul plasma. Al fine di proteggere la parete, viene creato un regione molto calda confinata mentre la maggior parte della potenza e delle particelle sono essenzialmente smaltite in uno specifico componente del reattore, il cosiddetto ’divertore’. L’attivitá di ricerca del dottorato presentato in questa tesi é stata fatta all’interno del programma EUROfusion per la realizzazione di un reattore dimostrativo (DEMO) entro il 2050. Uno degli aspetti piú critici é stato individuato nello smaltimento di alte potenze che possono danneggiare irreparabilmente i componenti affacciati al plasma (PFC). Quindi, l’analisi delle condizioni di plasma nella regione del divertore é essenziale per valutare l’affidabilitá e la fattibilitá dei reattori a fusione. Al fine di mitigare il problema dello smaltimento della potenza la comunitá fusionistica sta attualmente studiando diverse soluzioni possibili come l’uso di configurazioni magnetiche alternative nel divertore (AC) o l’uso di metalli liquidi come PFC. Questa tesi si concentra sullo studio dello Scrape off Layer (SOL), la regione dove le particelle che escono dal nucleo caldo sono dirottate verso i piatti del divertore. La modellazione numerica viene effettuata con codici di bordo bidimensionali su macchine future ed esistenti. Il primo punto nell’analisi consiste nella valutazione delle condizioni del plasma di bordo in DEMO considerando alcune ipotesi semplificative e un insieme di parametri di riferimento. Uno studio esplorativo viene fatto per valutare il comportamento del plasma nel SOL variando la densitá e i coefficienti di trasporto. Le simulazioni numeriche sono state fatte con il codice EDGE2D-EIRENE. I risultati predicono condizioni nel divertore totalmente inaccetabili dal punto di vista operazionale. Abbiamo soprattutto effettuato un benchmark tra EDGE2D-EIRENE e TECXY dato che i codici piú utilizzati e verificati attualmente disponibili nella comunitá fusionistica non sono in grado di trattare le AC. TECXY é un codice semplice e veloce in grado di gestire le AC. Nonostante le differenze nei modelli fisici utilizzati nei due codici, i risultati mostrano un buon accordo, in particolare in termini di carichi termici sui piatti del divertore e trend generali delle quantitá globali. D’altro canto discrepanze sono osservate nei profili della temperature e densitá elettronica sul divertore esterno principalmente dovute ai diversi modelli numerici adottati per la descrizione delle particelle neutre. Il secondo punto nell’analisi riguarda le AC fatta comparando una configurazione magnetica a singolo nullo (SN) convenzionale con un quasi Snowflake (QSF, caratterizzato da una transizione da una configurazione Snowflake ad una X-divertor) del reattore DTT (Divertor Test Tokamak). La modellizzazione é fatta con EDGE2DEIRENE. Lo studio preliminare effettuato variando la densitá a monte si propone di indagare tre aspetti principali: l’effetto sul raggiungimento del detachment, l’effetto sui carichi termici e l’effetto sul comportamento dei neutri. Le simulazioni mostrano che la configurazione QSF é piú incline a raggiungere il detachment rispetto al caso SN. Inoltre, mentre nel caso SN sono predetti carichi termici inaccetabili sui piatti esterni, in QSF sono ottenuti valori gestibili di picchi di potenza. Questa differenza risiede principalmente in fattori geometrici ed in particolare il fattore primario é riconducibile all’allargamento delle superfici di flusso nella regione del divertore. Analizzando il comportamento dei neutri si osserva un miglior confinamento in QSF che in SN dato che il fronte di ionizzazione non riesce a risalire verso il punto ad X. Un’analisi preliminare di un divertore a litio liquido é anche discussa. Leggere differenze sono osservate confrontando il divertore a litio liquido e quello convenzionale in tungsteno in quanto vengono simulati regimi dominati dallo sputtering. L’ultimo punto nell’attivitá di ricerca riguarda l’utilizzo di un diverso codice di bordo, SOLEDGE2D-EIRENE. Grazie all’alta flessibilitá, questo codice é in grado di trattare le AC. Vengono discussi i risultati preliminari della fase di convalida effettuata confrontando i risultati numerici con quelli sperimentali. Mentre i profili a monte sono discretamente riprodotti variando i coefficienti di diffusione, le quantitá a valle mostrano discrepanze in termini di densitá e temperature elettroniche. D’altro canto il profilo di potenza é parzialmente riprodotto. I risultati sono successivamente comparati in termini di distribuzione della radiazione. Il codice riesce a riprodurre la distribuzione 2D nella parte ad alto campo anche se differenze sul baffle interno sono presenti. Infine mostriamo che miglioramenti possono essere ottenuti definendo in modo adatto il coefficiente di riciclo.