Edge localized modes (ELMs) in H-mode plasmas erode plasma-facing components (PFCs) and lead to impurities in the core, reducing confinement. This study analyzes D2 pellet injection on the DIII-D fusion experiment used as an ELM mitigation technique applied during the 2016 tungsten Metal Rings Campaign to reduce W erosion during ELMs. The 400.9 nm photon wavelength line emission intensity of tungsten atoms (WI) filterscope channels and Langmuir probes were used to infer the gross erosion rate of tungsten-coated tiles installed in the divertor of DIII-D. D2 mass injection rates ranging from 34 to 41 arbitrary units (A.U.) and no D2 injection resulted in a similar total W erosion rate during ELMs (intra-ELM). On average, results show a 29% increase in the total gross W erosion rate with intermediate mass injection rates (∼13–23 A.U.) compared to the no pellets and the highest injection rate cases. On average, the fast D2 mass injection rate cases had 15% less erosion in the inter-ELM phase than the case with no pellets. Generally, higher D2 mass injection rates increased the ELM frequency, and the highest injection rates reduced the average erosion per ELM and fractional carbon impurities at the top of the pedestal by nearly 40% when compared to the no-pellet case. As expected, a higher D2 pellet injection rate led to a higher plasma density and lower plasma temperature in the divertor. Additionally, an increasing divertor inter-ELM plasma electron density directly correlated to more frequent pellet injection and a decrease in both the average gross intra-ELM W erosion and the total gross intra-ELM W erosion rate. Simulations of intra-ELM erosion using the 'free-streaming plus recycling model' (FSRM) underestimate W erosion during pellet injection by about 30% on average. The discrepancies between the experimental measurements and the FSRM intra-ELM W erosion predictions are postulated to be due to C/W material mixing. A simple analytic mixed-material model is presented and results in better agreement with the experimental data. These results highlight the importance of incorporating the effects of a mixed-material layer in the analysis of PFC erosion.
Hモードプラズマにおけるエッジ局在モード（ELM）は、プラズマ対向材料（PFC）を損耗させ、コアへの不純物混入を引き起こし、閉じ込めを低下させる。本研究では、2016年のタングステン金属リングキャンペーン中に適用されたELM緩和手法としてのD2ペレット注入を、DIII-D核融合実験装置において分析した。ELM中のタングステン（W）損耗率を推定するために、タングステン原子の400.9nm波長の発光線強度（WI）フィルタースコープチャネルとラングミュアプローブを使用した。D2質量注入率が34から41任意単位（A.U.）の範囲およびD2非注入の場合で、ELM中（intra-ELM）の総W損耗率は同程度であった。平均的には、中間の注入率（約13–23 A.U.）では、非注入および最高注入率の場合と比較して、総グロスW損耗率が29%増加した。平均的には、高速D2質量注入率の場合、ELM間（inter-ELM）の損耗は非注入の場合より15%少なかった。一般的に、より高いD2注入率はELM周波数を増加させ、最高注入率では、非注入の場合と比較して、ELMあたりの平均損耗とペデスタル上部の炭素不純物割合が約40%減少した。予想通り、より高いD2ペレット注入率は、ダイバータにおけるプラズマ密度を上昇させ、プラズマ温度を低下させた。さらに、ダイバータのELM間電子密度の増加は、より頻繁なペレット注入と直接相関し、ELM中の平均グロスW損耗および総グロスW損耗の両方の減少と対応した。ELM中の損耗に関するシミュレーションを「自由流動＋再堆積モデル」（FSRM）を用いて行ったところ、ペレット注入中のW損耗を平均で約30%過小評価した。実験測定とFSRMによるELM中W損耗予測との差異は、C/W材料混合によるものと推測される。単純な解析的混合材料モデルを提示し、実験データとより良く一致する結果を得た。これらの結果は、PFC損耗の解析における混合材料層の影響を組み込むことの重要性を強調している。