The present work presents a 2D and 3D modeling of the neutral gas flow in the sub-divertor region of the W7-X. The investigations have been done using the DIVGAS code. The complex 2D and 3D geometries of the divertor components in the sub-divertor region have been considered and the Standard and High-Iota magnetic configurations have been numerically simulated. The main objective of this study is to investigate the dynamics of neutral particles in the sub-divertor region including the effects due to geometry and toroidal and poloidal leakages located at the divertor targets and baffles on the achieved pumping efficiency. A sensitivity analysis has been performed for the effect of various geometrical and flow parameters on the pumping performance, under different plasma scenarios. The considered incoming fluxes in the sub-divertor range between 1020 to 1022 (H2 s−1). The main conclusions, which can be extracted from the present numerical analysis could be summarized as follows; a large fraction of incoming neutral particle flux i.e. >70% on the low iota side and >40% for the high iota side is leaked back to the main divertor region, while higher incoming neutral fluxes facilitate the increase of the pumped flux as well as the decrease of the outflux. It has been estimated that a small fraction ∼3%–4% of the incoming neutral flux is being pumped via the turbo-molecular pumps. The closure of the toroidal leakages as well as the inclination of the pumping gap panel by 9o facilitate the increase of the pumped flux, but considering the all the engineering constraints, the latter option seems to be more easy to be implemented. For low incoming neutral fluxes (∼1020 H2 s−1) and for the case of AEH section, free molecular flow conditions are estimated and therefore neutral-neutral collisions could be neglected. For higher incoming neutral fluxes and for both AEH and AEP sections neutral-neutral collisions play a significant role in the flow establishment. A comparison with available experimental measurements of the neutral pressure in the sub-divertor has been performed for Standard and High-Iota plasma discharges. The 3D DIVGAS simulations predict qualitatively the experimental data with relative deviation between 25 and 63%. All the above numerical findings will actively support the optimization of the W7-X particle exhaust, in view of the experimental campaign OP2.
本研究は、W7-Xのサブダイバータ領域における中性ガス流の2Dおよび3Dモデリングを提示する。調査はDIVGASコードを用いて行われた。サブダイバータ領域におけるダイバータ構成要素の複雑な2Dおよび3D形状を考慮し、標準およびHigh-Iota磁気配位を数値シミュレーションした。この研究の主目的は、幾何学的形状、およびダイバータターゲットとバッフルに位置するトロイダルおよびポロイダル漏れが達成される排気効率に及ぼす影響を含む、サブダイバータ領域における中性粒子の動力学を調査することである。異なるプラズマシナリオの下で、様々な幾何学的および流動パラメータが排気性能に及ぼす影響について感度解析を実施した。検討したサブダイバータへの流入フラックスは、10^20～10^22 (H2 s−1) の範囲である。本研究の数値解析から得られる主な結論は以下のように要約される。低イオタ側では流入中性粒子フラックスの大部分（>70%）、高イオタ側では>40%が主ダイバータ領域へ漏れ戻る。一方、より高い流入中性フラックスは、排気フラックスの増加および流出フラックスの減少を促進する。流入中性フラックスのうち、ターボ分子ポンプを介して排気されるのはわずか約3%～4%と推定された。トロイダル漏れの閉鎖と、ポンピングギャップパネルの9°の傾斜は、排気フラックスの増加を促進する。しかし、すべての工学的制約を考慮すると、後者の選択肢の方が実施が容易と思われる。低い流入中性フラックス（∼10^20 H2 s−1）の場合、およびAEHセクションの場合、自由分子流条件と推定され、したがって中性粒子同士の衝突は無視できる。より高い流入中性フラックスの場合、AEHおよびAEPの両セクションにおいて、中性粒子同士の衝突が流れの確立に重要な役割を果たす。標準およびHigh-Iotaプラズマ放電について、サブダイバータ内の中性圧力の利用可能な実験測定値との比較を実施した。3D DIVGASシミュレーションは、実験データを定性的に予測し、相対偏差は25%から63%の間である。上記のすべての数値的知見は、実験キャンペーンOP2を見据えたW7-Xの粒子排気の最適化を積極的に支援するであろう。