Plasma operation with high-Z plasma facing components is investigated with regard to sputtering, core impurity contamination and scenario restrictions. A simple model based on dimensionless quantities for fuel and high-Z ion sources and transport to describe the high-Z concentration in the plasma core is introduced. The impurity release and further transport is factorized into the sputtering yield, the relative pedestal penetration probability and a core confinement enhancement factor. Since there are quite large uncertainties, in particular, in the sputtering source and the edge transport of high-Z impurities, very different scenarios covering a wide parameter range are taken into account in order to resolve the experimental trends. Sputtering of tungsten by charge exchange neutrals in the energy range 0.5–2 keV is comparable to the effect of impurity ion sputtering, while the impact of thermal fuel ions is negligible. Fast ions produced by neutral beam injection as well as sheath acceleration during ICR heating may cause considerable high-Z sources if the limiters on the low-field side have high-Z surfaces. The critical behaviour of the central high-Z concentration in some experimental scenarios could be attributed to edge and core transport parameters in the concentration model. The improved H-mode with off-central heating turns out to be the most critical one, since a hot edge is combined with peaked density profiles.
高Zプラズマ対向機器を用いたプラズマ運転を、スパッタリング、コア不純物汚染、およびシナリオ制約に関して調査する。燃料および高Zイオン源と輸送に関する無次元量に基づく単純なモデルを導入し、プラズマコアにおける高Z濃度を記述する。不純物の放出およびその後の輸送は、スパッタリング収率、相対ペデスタル浸透確率、およびコア閉じ込め増倍因子に分解される。特にスパッタリング源および高Z不純物の周辺輸送にはかなりの不確実性があるため、実験的傾向を説明するために広いパラメータ範囲をカバーする非常に異なるシナリオが考慮される。0.5〜2 keVのエネルギー範囲における電荷交換中性子によるタングステンのスパッタリングは、不純物イオンスパッタリングの効果に匹敵する一方、熱燃料イオンの影響は無視できる。中性粒子入射によって生成される高速イオン、およびICR加熱中のシース加速は、低電界側リミターが高Z表面を有する場合、大きな高Z源を引き起こす可能性がある。いくつかの実験シナリオにおける中心高Z濃度の臨界的挙動は、濃度モデルにおける周辺およびコア輸送パラメータに起因する可能性がある。オフ中心加熱を伴う改善されたHモードは、高温のエッジとピーク状の密度分布が組み合わさるため、最も臨界的であることが判明する。