The process of divertor detachment, whereby heat and particle fluxes to divertor surfaces are strongly diminished, is required to reduce heat loading and erosion in a magnetic fusion reactor to acceptable levels. In this paper, the physics leading to the decrease of the total divertor ion current (It), or 'roll-over', is experimentally explored on the TCV tokamak through characterization of the location, magnitude and role of the various divertor ion sinks and sources including a complete analysis of particle and power balance. These first measurements of the profiles of divertor ionisation and hydrogenic radiation along the divertor leg are enabled through novel spectroscopic techniques.Over a range in TCV plasma conditions (plasma current and electron density, with/without impurity-seeding) the It roll-over is ascribed to a drop in the divertor ion source; recombination remains small or negligible farther into the detachment process. The ion source reduction is driven by both a reduction in the power available for ionization, Precl, and concurrent increase in the energy required per ionisation, Eion: this effect of power available on the ionization source is often described as 'power starvation' (or 'power limitation'). The detachment threshold is found experimentally (in agreement with analytic model predictions) to be ~Precl/ItEion ~ 2, corresponding to a target electron temperature, Tt ~ Eion/γ where γ is the sheath transmission coefficient. The target pressure reduction, required to reduce the target ion current, is driven both by volumetric momentum loss as well as upstream pressure loss.The measured evolution through detachment of the divertor profile of various ion sources/sinks as well as power losses are quantitatively reproduced through full 2D SOLPS modelling through the detachment process as the upstream density is varied.
ダイバータ・デタッチメントのプロセスは、ダイバータ表面への熱流束と粒子流束が大幅に減少する現象であり、磁場閉じ込め核融合炉において熱負荷と損耗を許容可能なレベルに低減するために必要である。本論文では、トカマク配置型実験装置TCVにおいて、ダイバータイオン電流の総和（It）の減少、すなわち「ロールオーバー」をもたらす物理機構を実験的に解明する。具体的には、ダイバータ領域におけるイオン粒子のシンク（消滅過程）とソース（生成過程）の空間分布、およびその大きさと役割を、粒子バランスとパワーバランスの完全な解析を通じて評価する。特に、ダイバータに沿ったイオン化と水素放射のプロファイルを、新規に開発した分光計測技術を用いて初めて詳細に測定する。TCVの多様なプラズマ条件（プラズマ電流、電子密度、不純物ガス入射の有無）において、Itのロールオーバーは、ダイバータにおけるイオンソースの減少に起因することが明らかになった。一方、デタッチメントがさらに進行した領域では、体積再結合によるイオン消滅は小さいか、または無視できる程度である。このイオンソースの減少は、イオン化に利用可能な電力（Precl）の低下と、イオン1個の生成に必要なエネルギー（Eion）の増加の両方によって駆動される。この効果は「パワースターべーション」または「パワーリミテーション」として知られる。実験的に決定されたデタッチメント閾値は、解析モデルの予測と一致し、Precl/ItEion ≈ 2 に対応する。これは、ターゲット電子温度（Tt）が Tt ≈ Eion/γ（γはシース透過係数）に低下した状態に相当する。さらに、ターゲット圧力の減少は、ターゲットイオン電流の減少を引き起こすが、これは体積力積損失と上流圧力損失の両方によって駆動される。上流密度を変化させた一連の実験において、デタッチメント過程を通じたダイバータ内の各種イオン種（ソース/シンク）とパワー損失のプロファイルの進展は、2次元流体コードSOLPSを用いた完全なシミュレーションによって定量的に再現された。