Power exhaust and plasma divertor interaction study by means of a 2D edge numerical code

The exhaust of a huge amount of power to the divertor targets is considered to be one of the most critical aspects towards the Demonstration power plant (DEMO). DEMO is presently based on a H-mode single null (SN) tokamak configuration. The elevated particle and power exhaust to the divertor targets foreseen in fusion-relevant machines can provoke degradation, cracking and even melting of the plasma-facing components (PFC). For this reasons, alternative magnetic divertor configurations (ADCs) and the use of liquid metal as PFC are currently studied to access the reliability and feasibility of future reactor machines. This Ph.D. thesis focuses on the study of Scrape-Off Layer (SOL) and divertor plasma on existing and future fusion machines by means of the 2D-edge numerical code SOLEDGE2D-EIRENE. The first topic presented is the study of power exhaust in current experiments by means of SOLEDGE2D-EIRENE. To achieve this goal, the available measurements and the physical processes included or missing in the code were investigated in order to allow an accurate description of the experiments and to understand which of the possible discrepancies between the simulations and the measurements could be attributed to limitations of the code. The second major aim was to predict transport profiles and plasma-wall interaction coefficients which could be scaled to future fusion devices. Transport and plasma-wall interaction parameters derived from the modelling of present experiments were the basis for predictive modelling of plasma scenarios of the Japanese Tokamak JT-60SA and the Divertor Test Tokamak facility DTT. Modelling of JT-60SA inductive high input power scenarios defined an operative range in terms of input power, plasma density and impurity concentration for both seeded and unseeded plasmas. Modelling of DTT also aimed at defining an operative range with different seeded impurities which had to be compatible with core performances. The study of the effect on power exhaust of divertor closure and connection length aimed at analyzing the possible advantages in term of power handling that could be gained with these geometries. The outcome of the modelling of JT-60SA and DTT scenarios (plasma and neutral density, temperature an radiation) were used to test synthetic diagnostics like spectrometer and interferometer and were used to test the effects on the plasma of ECRH aperture during rump-up of DTT. Lastly, an hysteretical-like behaviour of cooling performances was observed in both machines, was described and theoretically justified. The last topic presented is the study of liquid metal as plasma-facing components, focusing on the possible implementation for DTT operations. A self-consistent module for the evaluation of the sputtered and evaporated particles from the liquid metal was added to SOLEDGE2D-EIRENE. The module, reading the incoming energy and particle flux, estimates liquid metal surface temperature taking into account different target configurations or cooling methods. The module self-consistently estimate particle evaporation and sputtering and use them as sources in SOLEDGE2D-EIRENE. When the model was applied to DTT, it was found that the maximum input power flux to obtain sustainable conditions at the divertor could be doubled with respect to the unseeded case. The corresponding lithium concentration in the main plasma was acceptable, but alternative solutions were also studied to lower the impurity concentration caused by the high power and particle flux to the targets.

Lo scarico di un'elevata potenza ai target del divertore è considerato uno degli aspetti più critici verso il reattore distrativo (DEMO). DEMO è attualmente basato su una configurazione tokamak H-mode a singolo nullo. L'elevato flusso di particelle e potenza al divertore previsto per le macchine rilevanti a fini fusionistici può provocare la degradazione, la rottura e lo scieglimento dei componenti rivolti al plasma (PFC). Per questo motivo, configurazioni magnetiche alternative del divertore e l'uso di metalli liquidi come PFC sono attualmente studiati per testare l'affidabilità e la fattibilità dei futuri reattori. Questa tesi di dottorato si concentra sullo studio dello Scrape-Off Layer (SOL) e del plasma del divertore su macchine da fusione esistenti e future per mezzo del codice numerico 2D SOLEDGE2D-EIRENE. Il primo argomento presentato è lo studio della potenza scaricata negli esperimenti attuali. Per raggiungere questo obiettivo, le misure disponibili e i processi fisici inclusi o mancanti nel codice sono stati studiati per permettere una descrizione accurata degli esperimenti e per capire quali delle possibili discrepanze tra le simulazioni e le misure potrebbero essere attribuite a limitazioni del codice. Il secondo obiettivo principale era quello di prevedere i profili di trasporto e i coefficienti di interazione plasma-parete che potessero essere scalati ai futuri dispositivi di fusione. I parametri di trasporto e di interazione plasma-parete derivati dalla modellizzazione dei presenti esperimenti sono stati la base per la modellizzazione predittiva degli scenari di plasma del Tokamak giapponese JT-60SA e della struttura Divertor Test Tokamak DTT. La modellizzazione degli scenari induttivi as alta potenza di ingresso di JT-60SA ha definito una gamma operativa in termini di potenza di ingresso, densità di plasma e concentrazione di impurezze per plasmi con o senza seeding di impurezze. Anche la modellazione di DTT mirava a definire un intervallo operativo con diverse impurezze che deve essere compatibile con le prestazioni del core. Lo studio dell'effetto della chiusura del divertore e della lunghezza di connessione sulla potenza scaricata, aveva lo scopo di analizzare i possibili vantaggi in termini di gestione della potenza che si potevano ottenere con queste geometrie. I risultati della modellazione degli scenari JT-60SA e DTT (plasma e densità neutra, temperatura e radiazione) sono stati utilizzati per testare le diagnostiche sintetiche come spettrometro e interferometro e sono stati utilizzati per testare gli effetti sul plasma dell'apertura ECRH durante il rump-up di DTT. Infine, un comportamento di tipo isteretico delle prestazioni di raffreddamento radiativo del plasma è stato osservato in entrambe le macchine, è stato descritto e giustificato teoricamente. L'ultimo argomento presentato è lo studio dei metalli liquidi come esposta al plasma, concentrandosi sulla possibile implementazione per le operazioni DTT. A SOLEDGE2D-EIRENE è stato aggiunto un modulo autoconsistente per il calcolo del flusso di particelle emesse per sputtering e evaporazione. Il modulo, utlizzando l'energia in entrata e il flusso di particelle, stima la temperatura della superficie del metallo liquido tenendo conto di diverse configurazioni del target o metodi di raffreddamento. Il modulo stima in modo autoconsistente l'evaporazione delle particelle e lo sputtering e li usa come termini di sorgente in SOLEDGE2D-EIRENE. Quando il modello è stato applicato a DTT, si è trovato che il massimo flusso di potenza in ingresso per ottenere condizioni sostenibili al divertore potrebbe essere raddoppiato rispetto al caso senza sorgenti. La concentrazione di litio corrispondente nel plasma era accettabile, ma sono state studiate anche soluzioni alternative per abbassare la concentrazione di impurezze causata dall'alta potenza depositata ai target.