The Material Plasma Exposure eXperiment (MPEX) is a steady state linear device with the goal to perform plasma material interaction studies at future fusion reactor relevant conditions. A prototype of MPEX referred as 'Proto-MPEX' is designed to carry out research and development related to source, heating and transport concepts on the planned full MPEX device. The auxiliary heating schemes in MPEX are based on cyclotron resonance heating with radio frequency (RF) waves. Ion cyclotron heating (ICH) and electron cyclotron heating in MPEX are used to independently heat the ions and electrons and provide fusion divertor conditions ranging from sheath-limited to fully detached divertor regimes at a material target. A hybrid particle-in-cell code- PICOS++ is developed and applied to understand the plasma parallel transport during ICH in MPEX/Proto-MPEX to the target. With this tool, evolution of the distribution function of MPEX/Proto-MPEX ions is modeled in the presence of (a) Coulomb collisions, (b) volumetric particle sources and (c) quasi-linear RF-based ICH. The code is benchmarked against experimental data from Proto-MPEX and simulation data from B2.5 EIRENE. The experimental observation of 'density-drop' near the target in Proto-MPEX and MPEX during ICH is demonstrated and explained via physics-based arguments using PICOS++ modeling. In fact, the density drops at the target during ICH in Proto-MPEX/MPEX to conserve the flux and to compensate for the increased flow during ICH. Furthermore, sensitivity scans of various plasma parameters with respect to ICH power are performed for MPEX to investigate its role on plasma transport and particle and energy fluxes at the target.
Material Plasma Exposure eXperiment (MPEX)は、将来の核融合炉に関連する条件下でプラズマ材料相互作用研究を行うことを目的とした定常状態リニア装置である。MPEXのプロトタイプである「Proto-MPEX」は、計画されている本格的なMPEX装置における、源、加熱、輸送の概念に関連する研究開発を実施するために設計されている。MPEXにおける補助加熱方式は、無線周波数(RF)波を用いたサイクロトロン共鳴加熱に基づいている。MPEXにおけるイオンサイクロトロン加熱(ICH)および電子サイクロトロン加熱は、イオンと電子を独立に加熱し、材料ターゲットにおいてシース制限から完全に非接触ダイバータ領域に至る核融合ダイバータ条件を提供するために使用される。ハイブリッド粒子インセルコードであるPICOS++が開発され、MPEX/Proto-MPEXにおけるICH中のプラズマ並行輸送をターゲットまで理解するために適用されている。このツールを用いて、MPEX/Proto-MPEXイオンの分布関数の時間発展が、(a)クーロン衝突、(b)体積粒子源、(c)準線形RFベースのICHの存在下でモデル化される。このコードは、Proto-MPEXの実験データおよびB2.5 EIRENEのシミュレーションデータに対してベンチマークされる。ICH中のProto-MPEXおよびMPEXにおけるターゲット近傍の「密度低下」という実験的観測は、PICOS++モデリングを用いた物理に基づく議論により実証され、説明される。実際、Proto-MPEX/MPEXにおけるICH中のターゲットでの密度低下は、フラックスを保存し、ICH中の流量増加を補償するために発生する。さらに、MPEXについて、ICHパワーに対する様々なプラズマパラメータの感度スキャンが、プラズマ輸送およびターゲットでの粒子・エネルギー束に対するその役割を調査するために実施される。