Experimental results with the Cooled Lithium Limiter (CLL) - - PowerPoint PPT Presentation

Experimental ¡results ¡with ¡the ¡Cooled ¡ Lithium ¡Limiter ¡(CLL) ¡on ¡FTU ¡

Giuseppe Mazzitelli ENEA Technological Fusion Division The ¡First ¡IAEA ¡Technical ¡Mee<ng ¡on ¡Divertor ¡Concepts

Wien 29 Sep – 2 Oct. 2015

Many ¡thanks ¡to: ¡M.L ¡Apicella, ¡M.Iafra;, ¡G. ¡Apruzzese, ¡G. ¡Calabrò, ¡G. ¡ Ramogida, ¡I. ¡Lyublinski, ¡A. ¡Vertkov ¡and ¡the ¡FTU ¡TEAM ¡

¡

• Introduc;on ¡

¡

• CLL ¡
• Experimental ¡results ¡
• A ¡simple ¡radia;ve ¡model ¡

¡

• Future ¡Plan ¡

Outline ¡

IAEA ¡Wien ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡2 ¡

Introduc<on ¡

Since ¡ 2006 ¡ experiments ¡ with ¡ a ¡ liquid ¡ lithium ¡ limiter ¡ (LLL) ¡ are ¡ carried ¡ out ¡ on ¡ FTU ¡ with ¡ very ¡ interes;ng ¡ and ¡ promising ¡

• experiemnts. ¡Even ¡if ¡the ¡liquid ¡limiter ¡was ¡always ¡ ¡in ¡the ¡shadow ¡
• f ¡the ¡main ¡toroidal ¡limiter ¡ ¡between ¡one ¡and ¡two ¡cen;meters ¡

away ¡from ¡the ¡last ¡closed ¡magne;c ¡surface ¡and ¡its ¡toroidal ¡and ¡ poloidal ¡ extensions ¡ is ¡ very ¡ limited, ¡ few ¡ discharges ¡ were ¡ sufficient ¡to ¡get ¡very ¡clean ¡plasma ¡also ¡in ¡presence ¡of ¡addi;onal ¡ hea;ng ¡ power. ¡ But ¡ many ¡ other ¡ posi;ve ¡ effects ¡ have ¡ been ¡

• bserved ¡ as ¡ impurity ¡ reduc;on, ¡ increase ¡ of ¡ the ¡ energy ¡

confinement ¡;me, ¡suppression ¡of ¡MHD ¡ac;vity ¡etc ¡ . ¡ Now, ¡most ¡of ¡work ¡is ¡focused ¡on ¡heat ¡loads ¡and ¡a ¡comparison ¡

• f ¡low ¡Z ¡(Li) ¡and ¡high ¡Z ¡(Sn) ¡liquid ¡metals ¡

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Cooled Lithium Limiter

CPS W structure Mo tube

IAEA ¡Wien ¡ ¡ ¡ ¡4 ¡

Cooled Lithium Limiter

CLL

Melting point 180.6 °C Boiling point 1342 °C Plasma interacting area ~ 100 cm2 Li amount up to 70 cm3 / 35 g CLL initial temperature > 200oC

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¡ ¡

¡

Parameter Value

Ini;al ¡lithium ¡surface ¡temperature ¡ ¡ ¡ ¡ ¡≥200oC Lithium ¡surface ¡temperature ¡ ¡ during ¡plasma ¡interac;on ¡ ¡ ¡≤450-­‑550oC Power ¡of ¡heat ¡removal up ¡to ¡100 ¡kW Plasma ¡interac;ng ¡area ¡ ¡ ¡ ¡~ ¡100 ¡cm2 Lithium ¡amount ¡(volume/weight) up ¡to ¡70 ¡cm3 ¡/ ¡35 ¡g Element ¡dimensions ¡(L ¡× ¡H ¡× ¡W) ~330 ¡× ¡~205 ¡× ¡~32 ¡mm

CLL Main ¡Characteris<cs ¡ ¡

IAEA ¡Wien ¡ ¡ ¡ ¡6 ¡

Experiments with CLL

We ¡focused ¡our ¡analysis ¡on ¡heat ¡ load ¡on ¡a ¡specific ¡shot ¡#37789 ¡

• Hor. ¡Pos.[m] ¡

¡

• Vert. ¡Pos[m] ¡

ne ¡[1018 ¡m-­‑3] ¡ Ip[105 ¡A] ¡

IAEA ¡Wien ¡ ¡ ¡ ¡7 ¡

Experiments with CLL

Dα Li

Visible Spectroscopy

Δ =+0.5 cm Δ =+1.0 cm Δ = +1.5 cm

Δ = distance of CLL from LCMS

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Experiments with CLL

Visible Spectroscopy

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Experiments with CLL

Heat ¡loads ¡

CLL ¡

No ¡droplets ¡by ¡visible ¡camera ¡during ¡discharges ¡ ¡

• r ¡surface ¡damages ¡ ¡were ¡observed ¡aker ¡shots ¡

T h e ¡ C L L ¡ s u r f a c e ¡ t e m p e r a t u r e ¡ w e r e ¡ monitored ¡ by ¡ a ¡ IR ¡ fast ¡

• camera. ¡

Surface ¡CLL ¡T ¡;me ¡evolu;on ¡

ANSYS ¡Simula;on ¡

In ¡ the ¡ simula;on ¡ we ¡ takes ¡ into ¡ the ¡ account ¡ the ¡shape ¡of ¡the ¡plasma ¡as ¡reconstructed ¡by ¡ the ¡ equilibrium ¡ code, ¡ the ¡ power ¡ to ¡ the ¡ SOL ¡ ( ¡Pohm-­‑ ¡Prad ¡) ¡and ¡λq=1cm. ¡Data ¡cooling ¡water: ¡ T i n= 1 9 0 ° C ¡ T o u t= 1 9 9 . 4 ° C ¡ P = 2 . 9 M P a ¡ Flow=0.06Kg/s ¡(v=0.44 ¡m/s) ¡ Input ¡heat ¡load ¡ ¡ Max ¡2.3MW/m2 ¡for ¡1.5 ¡s ¡

IAEA ¡Wien ¡ ¡10 ¡

Experiments with CLL

Hot ¡ spots ¡ on ¡ the ¡ surface ¡ are ¡ automa;cally ¡ recognized ¡ by ¡ using ¡ a ¡ nonlinear ¡ image ¡ filtering ¡ approach, ¡ building ¡ up ¡ a ¡ CNN ¡ (Cellular ¡ Nonlinear ¡ Network) ¡ based ¡ algorithm ¡ ¡ developed ¡ in ¡ MATLAB ¡ environment, ¡ giving ¡ the ¡ capability ¡ to ¡ localize ¡ them ¡ in ¡ the ¡ limiter ¡

• geometry. ¡ Using ¡ this ¡ tool ¡ it ¡ has ¡ been ¡ shown ¡ a ¡ posi;on ¡ matching ¡

between ¡the ¡hot ¡spots ¡and ¡the ¡intermediate ¡space ¡between ¡strips ¡on ¡ the ¡limiter ¡surface ¡

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New ¡improvements ¡

A ¡new ¡curvature ¡radius ¡

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New ¡Improvements ¡– ¡Long ¡Pulse ¡

Sta;onary ¡high ¡heat ¡flux ¡controlled ¡by ¡plasma ¡posi;on ¡(up ¡to ¡10MW/m2 ¡for ¡5s ¡-­‑ ¡4.5s ¡achieved) ¡

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New ¡Improvements ¡– ¡D ¡shaped ¡plasma ¡

W e ¡ h a v e ¡ m a d e ¡ s o m e ¡ preliminary ¡shots ¡to ¡verify ¡the ¡ possibility ¡to ¡have ¡a ¡D-­‑shaped ¡ plasma ¡ with ¡ the ¡ X-­‑point ¡ near ¡ the ¡CLL. ¡ In ¡these ¡discharges ¡we ¡plan ¡to ¡ inject ¡ 0.5 ¡ MW ¡ of ¡ ECRH ¡ that ¡ using ¡the ¡usual ¡scaling ¡should ¡ permit ¡to ¡get ¡H-­‑mode ¡

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The ¡old ¡Liquid ¡Lithium ¡Limiter ¡

Langmuir ¡probes ¡ Thermocouples ¡

Heater ¡electrical ¡ cables ¡ IAEA ¡Wien ¡ ¡15 ¡

Radia<ve ¡Model ¡

#33206 ¡

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Radia<ve ¡Model ¡

IR ¡Temperature ¡ Bolometric ¡ measurements ¡

Time ¡(s) ¡ IAEA ¡Wien ¡ ¡17 ¡

Radia<ve ¡Model ¡

What ¡is ¡the ¡reason ¡for ¡the ¡temperature ¡decrease ¡on ¡the ¡module ¡surface ¡? ¡ ¡ We ¡start ¡analyzing ¡the ¡heat ¡equa;on ¡in ¡the ¡approxima;on ¡of ¡semi-­‑infinite ¡ module ¡ ¡

Where: ¡ ¡ Qin ¡is ¡the ¡heat ¡load ¡on ¡the ¡limiter ¡

¡ Qloss ¡is ¡the ¡sum ¡of ¡three ¡contribu;on: ¡radia;ve ¡losses, ¡evapora;on ¡and ¡the ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡replenishment ¡ ¡ ¡liquid ¡lithium. ¡ ¡ We ¡are ¡neglec;ng ¡redeposi;on ¡and ¡spuwering!!! ¡

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Radia<ve ¡Model ¡

Where: ¡ ¡K ¡ ¡thermal ¡conduc/vity ¡ α ¡thermal ¡diffusivity ¡

Qin ¡is ¡deduced ¡by ¡the ¡well ¡known ¡formula ¡for ¡ a ¡semi-­‑infinite ¡module ¡

IAEA ¡Wien ¡ ¡19 ¡

Radia<ve ¡Model ¡

By ¡solving ¡the ¡eq. ¡in ¡the ¡ p r e v i o u s ¡ s l i d e ¡ i s ¡ possible ¡ to ¡ deduce ¡ the ¡ heat ¡load ¡on ¡the ¡limiter ¡ ¡

1.3 ¡ 1.1 ¡ 1.2 ¡ 1.4 ¡ 1.0 ¡ 1.5 ¡ 1.6 ¡

IAEA ¡Wien ¡ ¡20 ¡

Radia<ve ¡Model ¡

First ¡ of ¡ all ¡ we ¡ have ¡ es;mated ¡ the ¡ contribu;on ¡ of ¡ the ¡ three ¡ different ¡ terms ¡ ¡ assuming ¡constant ¡values ¡for ¡the ¡electron ¡density ¡and ¡temperature ¡consistent ¡ with ¡the ¡measurements ¡

In ¡the ¡following ¡we ¡neglect ¡Qsost, ¡i.e. ¡the ¡heat ¡loss ¡due ¡to ¡the ¡refilling/subs;tu;on ¡of ¡ the ¡evaporated ¡surface ¡ IAEA ¡Wien ¡ ¡21 ¡

Radia<ve ¡Model ¡

The ¡evapora;ve ¡lithium ¡flux ¡ ¡φ ¡has ¡been ¡evaluated ¡ by ¡the ¡following ¡formula ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ In ¡which ¡ ¡ ¡ ¡Ts ¡is ¡the ¡surface ¡temperature ¡ ¡KB ¡is ¡Boltzmann’ ¡s ¡constant ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡Δ ¡H ¡is ¡latent ¡evapora;on ¡heat ¡ ¡ ¡p0 ¡ ¡is ¡a ¡costant ¡

¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡

IAEA ¡Wien ¡ ¡22 ¡

Radia<ve ¡Model ¡

T ¡ 1.0 ¡ 1.5 ¡ 2.0 ¡ 0.5 ¡ 0.0 ¡

Time ¡(s) ¡

Solving ¡the ¡equa;on ¡the ¡fit ¡is ¡sa;sfactory ¡ ¡ The ¡vapour ¡ ¡shield ¡is ¡a ¡very ¡important ¡effect ¡

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Different ¡Liquid ¡Metal ¡in ¡FTU ¡

Cooled ¡Liquid ¡Sn ¡Limiter ¡(2016) ¡ – Electrical ¡hea;ng ¡ – Water ¡cooling ¡ Cooled ¡Liquid ¡Li ¡Limiter ¡(2013/14/16) ¡ – Water ¡hea;ng/cooling ¡

Ø New ¡Experiments ¡2016 ¡

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TLL in-vessel element

Power flux Spray flow from atomizer

Cu pipe Mo pipe W CPS+Sn

Spray + flow to calorimeter vapor

Heater

W CPS + Sn Heater Cooling channel Atomizer Water Gas inlet pipes Mo pipe Outlet pipe

TLL structure scheme

Cooling media – water spray in Ar or air. Spray generator – gas assisted atomizer. Cooling process – water evaporation

Evaporation heat - 2.26 106 J/kg

Courtesy ¡by ¡A. ¡Vertkov ¡

PLAN 2016

• Experimental campaign at Bt=2.5 - 4T up to 4-5 s
• Most of the work will be focused on heat loads.
• Experiments with 0.5 MW of ECRH will be

performed

• Experimental activity on elongated discharges
• Experiments with the TLL and comparison with

CLL

• Sn plasma compatibility

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