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The effect of a metal wall on confinement in JET and ASDEX Upgrade

M N A Beurskens, J Schweinzer, C Angioni, A Burckhart, C D Challis, I Chapman, R Fischer, J Flanagan, L Frassinetti, C Giroud2013年Plasma Physics and Controlled FusionIF 2.2出版社

In both JET and ASDEX Upgrade (AUG) the plasma energy confinement has been affected by the presence of a metal wall by the requirement of increased gas fuelling to avoid tungsten pollution of the plasma. In JET with a beryllium/tungsten wall the high triangularity baseline H-mode scenario (i.e. similar to the ITER reference scenario) has been the strongest affected and the benefit of high shaping to give good normalized confinement of H98 ∼ 1 at high Greenwald density fraction of fGW ∼ 0.8 has not been recovered to date. In AUG with a full tungsten wall, a good normalized confinement H98 ∼ 1 could be achieved in the high triangularity baseline plasmas, albeit at elevated normalized pressure βN > 2. The confinement lost with respect to the carbon devices can be largely recovered by the seeding of nitrogen in both JET and AUG. This suggests that the absence of carbon in JET and AUG with a metal wall may have affected the achievable confinement. Three mechanisms have been tested that could explain the effect of carbon or nitrogen (and the absence thereof) on the plasma confinement. First it has been seen in experiments and by means of nonlinear gyrokinetic simulations (with the GENE code), that nitrogen seeding does not significantly change the core temperature profile peaking and does not affect the critical ion temperature gradient. Secondly, the dilution of the edge ion density by the injection of nitrogen is not sufficient to explain the plasma temperature and pressure rise. For this latter mechanism to explain the confinement improvement with nitrogen seeding, strongly hollow Zeff profiles would be required which is not supported by experimental observations. The confinement improvement with nitrogen seeding cannot be explained with these two mechanisms. Thirdly, detailed pedestal structure analysis in JET high triangularity baseline plasmas have shown that the fuelling of either deuterium or nitrogen widens the pressure pedestal. However, in JET-ILW this only leads to a confinement benefit in the case of nitrogen seeding where, as the pedestal widens, the obtained pedestal pressure gradient is conserved. In the case of deuterium fuelling in JET-ILW the pressure gradient is strongly degraded in the fuelling scan leading to no net confinement gain due to the pedestal widening. The pedestal code EPED correctly predicts the pedestal pressure of the unseeded plasmas in JET-ILW within ±5%, however it does not capture the complex variation of pedestal width and gradient with fuelling and impurity seeding. Also it does not predict the observed increase of pedestal pressure by nitrogen seeding in JET-ILW. Ideal peeling ballooning MHD stability analysis shows that the widening of the pedestal leads to a down shift of the marginal stability boundary by only 10–20%. However, the variations in the pressure gradient observed in the JET-ILW fuelling experiment is much larger and spans a factor of more than two. As a result the experimental points move from deeply unstable to deeply stable on the stability diagram in a deuterium fuelling scan. In AUG-W nitrogen seeded plasmas, a widening of the pedestal has also been observed, consistent with the JET observations. The absence of carbon can thus affect the pedestal structure, and mainly the achieved pedestal gradient, which can be recovered by seeding nitrogen. The underlying physics mechanism is still under investigation and requires further understanding of the role of impurities on the pedestal stability and pedestal structure formation.

日本語訳

JETとASDE Upgrade(AUG)の両方において、プラズマのエネルギー閉じ込めは、タングステンによるプラズマ汚染を回避するためにガス入射を増加させる必要があることによって、金属壁の影響を受けてきた。JETのベリリウム/タングステン壁では、高三角形度ベースラインHモード(すなわちITER参照シナリオに類似)が最も強い影響を受けており、高Greenwald密度割合fGW〜0.8において良好な規格化閉じ込めH98〜1をもたらす高シェイピングの利点は、現在まで回復されていない。AUGの全タングステン壁では、高三角形度ベースラインプラズマにおいて、高い規格化圧力βN>2であっても、良好な規格化閉じ込めH98〜1を達成できた。炭素壁デバイスと比較して失われた閉じ込めは、JETとAUGの両方において窒素入射によって大部分回復可能である。これは、JETとAUGの金属壁における炭素の不在が、達成可能な閉じ込めに影響を与えた可能性を示唆している。炭素または窒素(およびその不在)がプラズマ閉じ込めに及ぼす影響を説明し得る三つのメカニズムが検証されてきた。第一に、実験および非線形ジャイロ運動論シミュレーション(GENEコード)により、窒素入射はコア温度分布のピーキングを有意に変化させず、臨界イオン温度勾配にも影響を与えないことが観測されている。第二に、窒素入射によるエッジイオン密度の希釈だけでは、プラズマ温度および圧力の上昇を説明するには不十分である。この後者のメカニズムが窒素入射による閉じ込め改善を説明するためには、強い中空Zeff分布が必要となるが、これは実験観測によって支持されていない。窒素入射による閉じ込め改善は、これら二つのメカニズムでは説明できない。第三に、JET高三角形度ベースラインプラズマにおける詳細なペデスタル構造解析により、重水素または窒素のいずれの入射も圧力ペデスタルを広げることが示された。しかしながら、JET-ILWでは、このペデスタルの拡大は窒素入射の場合にのみ閉じ込め改善につながり、その際ペデスタルが広がるにつれて、得られるペデスタル圧力勾配は保存される。重水素入射の場合、JET-ILWでは入射走査において圧力勾配が強く劣化し、ペデスタル拡大による正味の閉じ込め利得は生じない。ペデスタルコードEPEDは、JET-ILWにおける非入射プラズマのペデスタル圧力を±5%以内で正確に予測するが、入射および不純物入射に伴うペデスタル幅と勾配の複雑な変化は捕捉できない。また、JET-ILWにおける窒素入射によるペデスタル圧力の観測された増加も予測しない。理想ペーリングバルーニングMHD安定性解析により、ペデスタルの拡大はマージナル安定境界をわずか10〜20%下方シフトさせることが示される。しかしながら、JET-ILWの重水素入射走査で観測される圧力勾配の変動はこれよりはるかに大きく、2倍以上の範囲に及ぶ。その結果、実験点は安定性ダイアグラム上で深く不安定な領域から深く安定な領域へと移動する。AUG-Wの窒素入射プラズマでもペデスタルの拡大が観測されており、JETの観測と一致している。炭素の不在はペデスタル構造に影響を与え得るが、主に達成されるペデスタル勾配に影響し、これは窒素入射によって回復可能である。基礎となる物理メカニズムは依然として調査中であり、ペデスタル安定性およびペデスタル構造形成に対する不純物の役割のさらなる理解が必要である。

装置

asdex-upgrade高精度(タイトル一致)jet高精度(タイトル一致)iter中精度(概要文一致)

wiki

JETASDEXASDEX Upgrade
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