In this paper, an overview of the impurity transport for three H-mode plasmas in the upcoming SPARC tokamak has been provided. The simulations have been performed within the ASTRA+STRAHL framework, using FACIT and TGLF-SAT2 to predict, respectively, neoclassical and turbulent core transport. A neural network trained on EPED simulations has been employed to calculate the pedestal height and width self-consistently. A benchmark with previous simulations at constant impurity fraction has been provided for three H-modes, spanning different plasma current and magnetic field values. Turbulent impurity transport has been found to systematically dominate over the neoclassical contribution. A sufficient on-axis accumulation of the ICRH minority species has been computed, ensuring efficient plasma heating. For one scenario, additional simulations have been performed to account for uncertainties in the modeling assumptions. The predictions are nearly insensitive to changes in the top of pedestal W concentrations. Varying the Ar pedestal concentration has shown a small effect on the impurity peaking and nearly constant fusion gain values, due to multiple effects on pedestal pressure, main ion dilution and density peaking. The inclusion of rotation in ASTRA simulations has shown minimal impact on confinement and impurity transport predictions. An exploratory study has been provided with a first set of simulations treating D and T separately, indicating a maximum fusion power at 55%–45% DT fuel composition, and an asymmetric distribution with respect to the D concentration. All the results, including sensitivity scans of toroidal velocity and ion temperature and density gradients, highlight that turbulent impurity transport prevails on the neoclassical component, aligning with previous ITER predictions, and suggesting that next generation devices like SPARC, operating at low collisionality, will experience low W accumulation.
本論文では、近々稼働予定のSPARCトカマクにおける3つのHモードプラズマに対する不純物輸送の概要を示した。シミュレーションはASTRA+STRAHLフレームワーク内で実施され、それぞれ新古典輸送と乱流コア輸送を予測するためにFACITとTGLF-SAT2を用いた。EPEDシミュレーションで訓練されたニューラルネットワークを用いて、ペデスタルの高さと幅を自己無撞着に計算した。異なるプラズマ電流および磁場値にわたる3つのHモードについて、一定不純物割合での以前のシミュレーションとのベンチマークを示した。乱流不純物輸送は、新古典輸送の寄与に対して系統的に支配的であることが見いだされた。ICRHの少数種の十分な軸上蓄積が計算され、効率的なプラズマ加熱が確保された。1つのシナリオについては、モデリング仮定の不確実性を考慮するために追加のシミュレーションを実施した。予測は、ペデスタル上部のW濃度の変化に対してほぼ鈍感である。Arペデスタル濃度を変化させると、ペデスタル圧力、主イオン希釈、密度ピーキングへの複合的影響により、不純物ピーキングへの影響は小さく、核融合利得はほぼ一定であった。ASTRAシミュレーションへの回転の組み込みは、閉じ込めおよび不純物輸送予測への影響が最小限であることを示した。DとTを別々に扱う最初の一連のシミュレーションによる探索的研究を示し、55%–45%のDT燃料組成で最大核融合出力となり、D濃度に関して非対称な分布となることを示した。トロイダル速度、イオン温度、密度勾配の感度スキャンを含むすべての結果は、乱流不純物輸送が新古典成分よりも優勢であることを強調しており、これは以前のITER予測と一致し、低衝突度で運転されるSPARCのような次世代装置ではWの蓄積が少ないことを示唆している。