Simulations of Boundary Plasma in X-Point Target Divertor - - PowerPoint PPT Presentation

This ¡work ¡was ¡performed ¡under ¡the ¡auspices ¡of ¡the ¡U.S. ¡Department ¡of ¡Energy ¡by ¡Lawrence ¡Livermore ¡Na?onal ¡ Security, ¡LLC, ¡Lawrence ¡Livermore ¡Na?onal ¡Laboratory ¡under ¡Contract ¡DE-­‑AC52-­‑07NA27344. ¡ LLNL-­‑PRES-­‑672984

¡

M.V. Umansky, M.E. Rensink, T.D. Rognlien Lawrence, Livermore National Lab, Livermore, CA 94550, USA

• B. LaBombard, D. Brunner, J.L. Terry, D.G. Whyte

MIT Plasma Science and Fusion Center, Cambridge, MA 02139, USA

Presented at 1st IAEA Technical Meeting on Divertor Concepts

• Sept. 29 – Oct. 02, 2015, Vienna, Austria

Simulations of Boundary Plasma in X-Point Target Divertor Configuration

Outline

2 ¡

• 1. Modeling ¡divertors ¡with ¡2 ¡X-­‑points ¡in ¡arbitrary ¡orientaDon ¡
• 2. IniDal ¡simulaDons ¡X-­‑point ¡Target ¡Divertor ¡(XPTD) ¡
• 3. Comparisons ¡between ¡XPTD ¡and ¡a ¡standard ¡Dlted-­‑plate ¡

divertor ¡with ¡1 ¡X-­‑point ¡

3 ¡

Configurations with a secondary X-point in divertor considered by many groups in recent years; for example

[1] ¡H. ¡Takase, ¡J. ¡Phys. ¡Soc. ¡Japan, ¡70, ¡609, ¡2001. ¡ ¡ ¡ ¡[3] ¡M. ¡Kotschenreuther ¡et ¡al., ¡2004 ¡IAEA ¡FEC, ¡paper ¡IC/P6-­‑43. ¡ ¡ [2] ¡D.D. ¡Ryutov. ¡Phys. ¡Plasmas, ¡14, ¡064502, ¡2007. ¡[4] ¡B. ¡LaBombard ¡et ¡al., ¡Nucl. ¡Fusion ¡55, ¡053020, ¡2015. ¡

X-divertor [3] X-point target divertor [4] Cusp divertor [1] Snowflake divertor [2; Soukhanovskii]

SF+ ¡ SF-­‑ ¡

Also, ¡LaBombard, ¡ Friday ¡a.m. ¡

X-point target divertor is similar to the super-X divertor,
 but with the second X-point in the plasma volume

XPTD: ¡LaBombard ¡et ¡al. ¡2013 ¡Bull. ¡Am. ¡Phys. ¡Soc. ¡58 ¡63, ¡and ¡Nucl. ¡Fusion ¡55, ¡053020, ¡2015. ¡ SXD: ¡P. ¡Valanju ¡et ¡al., ¡Phys. ¡Plasmas ¡16, ¡056110 ¡(2009) ¡ ¡ ¡

• As ¡Super-­‑X, ¡exploits ¡1/R ¡geometric ¡reducDon ¡of ¡divertor ¡heat ¡flux ¡
• May ¡produce ¡stable ¡‘X-­‑point ¡MARFE’ ¡in ¡the ¡divertor ¡chamber ¡ ¡

X-­‑point ¡ X-­‑point ¡

Analytic model of Bpol for two nearby X-points allows a topological classification of configurations

5 ¡

Ryutov ¡et ¡al., ¡PPCF ¡ 52 ¡(2010) ¡105001 ¡

• θ = ¡angle ¡between ¡X-­‑point ¡bisector ¡and ¡horizontal ¡axis ¡
• Also ¡mirror ¡reflecDons ¡of ¡cases ¡b,c,d,e ¡

Major radius Vertical distance

Core region a) b) c) d) e) f)

θ ¡

Divertor ¡simulaDon ¡codes ¡must ¡account ¡for ¡such ¡topologies ¡ MagneDc ¡ ¡ separatrices ¡

Upgrades to UEDGE include two arbitrarily placed X-pts: computational subdomains and mesh generation

Poloidal index

0 < 0 < θ < < 30 30ο 30 < 30 < θ < < 60 60ο 60 < 60 < θ < < 90 90ο

Radial index

Domain mapping Domain mapping Domain mapping

Poloidal index

0 < 0 < θ < < 30 30ο 30 < 30 < θ < < 60 60ο 60 < 60 < θ < < 90 90ο

Radial index

Domain mapping Domain mapping Domain mapping

Upgrades to UEDGE include two arbitrarily placed X-pts: computational subdomains and mesh generation

Our XPTD simulations

Mesh ¡constructed ¡by ¡combining ¡two ¡ lower-­‑half ¡single-­‑null ¡domains ¡ ¡ Use ¡UEDGE ¡fluid ¡transport ¡model ¡

• Fluid ¡neutrals ¡(inerDal) ¡
• Fixed ¡fracDon ¡impurity ¡radiaDon ¡
• No ¡driis ¡
• Four ¡orthogonal ¡target ¡plates ¡
• 100% ¡recycling ¡on ¡all ¡walls ¡

¡ Use ¡geometry ¡& ¡parameters ¡from ¡ LaBombard ¡et ¡al., ¡NF ¡2015 ¡

• MHD ¡equilibrium ¡provided ¡by ¡MIT ¡
• Density ¡at ¡separatrix ¡~ ¡1e20 ¡m-­‑3 ¡
• Power ¡into ¡lower-­‑half ¡domain ¡1-­‑5 ¡MW ¡

1 4 2 3

symmetry plane

0.4 0.6 0.8 1.0 R (m) 0.5 1.0 Z (m)

UEDGE is used to model both X-points in an XPTD for the lower half of up-down symmetric configuration

UEDGE is used to model both X-points in an XPTD for the lower half of up-down symmetric configuration

9 ¡

Mesh ¡constructed ¡by ¡combining ¡two ¡ lower-­‑half ¡single-­‑null ¡domains ¡ ¡ Use ¡UEDGE ¡fluid ¡transport ¡model ¡

• Fluid ¡neutrals ¡(inerDal) ¡
• Fixed ¡fracDon ¡impurity ¡radiaDon ¡
• No ¡driis ¡
• Four ¡orthogonal ¡target ¡plates ¡
• 100% ¡recycling ¡on ¡all ¡walls ¡

¡ Use ¡geometry ¡& ¡parameters ¡from ¡ LaBombard ¡et ¡al., ¡NF ¡2015 ¡

• MHD ¡equilibrium ¡provided ¡by ¡MIT ¡
• Density ¡at ¡separatrix ¡~ ¡1e20 ¡m-­‑3 ¡
• Power ¡into ¡lower-­‑half ¡domain ¡1-­‑5 ¡MW ¡

1 4 2 3

symmetry plane

0.4 0.6 0.8 1.0 R (m) 0.5 1.0 Z (m) Single ¡X-­‑point ¡comparison ¡case ¡

A comparison divertor configuration (STPD) is used to assess effectiveness of the XPTD

• Same ¡magneDc ¡equilibrium ¡as ¡in ¡

the ¡two-­‑X-­‑point ¡XPTD ¡case ¡

• VerDcal ¡(Dlted) ¡divertor ¡plates ¡are ¡

added ¡to ¡reduce ¡heat ¡flux ¡

• SimulaDon ¡model ¡the ¡same ¡
• physics ¡equaDons ¡
• boundary ¡condiDons ¡ ¡
• radial ¡transport ¡

0.5 0.7 0.9 R (m) 0.6 0.4 0.8 Z (m)

Standard tilted-plate divertor (STPD)

Radial transport parameters are set to yield upstream SOL profiles projected from C-Mod

11 ¡

• Unity ¡recycling ¡on ¡surfaces ¡
• Using ¡radially ¡growing ¡diffusing ¡

coefficient ¡to ¡match ¡the ¡expected ¡ density ¡profile ¡width ¡~5 ¡mm ¡ ¡

• SpaDally ¡constant ¡χe,i ¡is ¡sufficient ¡to ¡

achieve ¡~3 ¡mm ¡width ¡of ¡mid-­‑plane ¡Te,I ¡ Mid-­‑plane ¡profiles ¡

D= α exp((r-rsep)/λ) α=0.25 [m2/s], λ=2 [mm].

Density [m-3] Sepx

ni ng

• Te [eV]/500

Ti [eV]/500 case dnXtarget9 sepx

0 ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡0.5 ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡1.0 ¡ R-­‑Rsep ¡(cm) ¡ 0 ¡ 5 ¡ .25 ¡ 0 ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡1 ¡ R-­‑Rsep ¡(cm) ¡ D ¡(m2/s) ¡

Ti ¡ Te ¡

XPTD: input power P1/2 = 3 MW, 1% neon impurity

12 ¡

• 3 ¡of ¡4 ¡legs ¡arached ¡

Log Te Log ne Log ng Prad

XPTD: input power P1/2 = 2 MW, 1% neon impurity

13 ¡

• Onset ¡of ¡widespread ¡

detachment ¡

Log Te Log ne Log ng Prad

XPTD: input power P1/2 = 1 MW, 1% neon impurity

14 ¡

• Full ¡detachment ¡

Log Te Log ne Log ng Prad

Same 3 input-power sequence for the STPD

15 ¡

Comparison geometry, STPD: input power P1/2 = 3 MW, 1% neon impurity

16 ¡

Log Te Log ne Log ng Prad

• At ¡3 ¡MW, ¡both ¡legs ¡

arached ¡

17 ¡

• At ¡2 ¡MW, ¡inner ¡leg ¡

detached, ¡outer ¡leg ¡ arached ¡

Comparison geometry, STPD: input power P1/2 = 2 MW, 1% neon impurity

Log Te Log ne Log ng Prad

18 ¡

• At ¡1 ¡MW ¡most ¡

radiaDon ¡above ¡X-­‑ point ¡=> ¡MARFE ¡& ¡ disrupDon ¡

Comparison geometry, STPD: input power P1/2 = 1 MW, 1% neon impurity

Log Te Log ne Log ng Prad

The 2 X-point, long-leg XPTD provides lower peak heat flux and better divertor/core isolation than the STPD

19 ¡

Log Te Log ne Log Pad

Neon Carbon Neon Carbon

Long-leg XPTD Short-leg STPD

• Reducing ¡peak ¡heat-­‑flux ¡to ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡

<10 ¡MW/m2 ¡requires ¡lower ¡ impurity ¡concentraDon ¡for ¡XPTD, ¡ even ¡without ¡DlDng ¡plates ¡

• XPTD ¡provides ¡a ¡larger ¡operaDng ¡

window ¡in ¡input ¡power ¡free ¡from ¡ a ¡core ¡MARFE; ¡radiaDon ¡spread ¡

• MulDple ¡impurity ¡species ¡may ¡
• pDmize ¡radiated ¡power ¡

¡

• 1%
• 1%

Summary and conclusions

20 ¡

• 1. UEDGE ¡upgraded ¡to ¡model ¡divertors ¡having ¡2 ¡X-­‑points ¡in ¡arbitrary ¡
• rientaDon ¡
• 2. IniDal ¡simulaDons ¡performed ¡for ¡the ¡X-­‑point ¡Target ¡divertor ¡(XPTD) ¡using ¡

geometry ¡and ¡parameters ¡from ¡LaBombard ¡et ¡al., ¡NF ¡(2015) ¡

• 3. Comparison ¡of ¡peak ¡divertor ¡heat-­‑flux ¡and ¡detachment ¡onset ¡between ¡

XPTD ¡and ¡a ¡standard ¡Dlted-­‑plate ¡divertor ¡(STPD) ¡shows: ¡ ¡ § XPTD ¡orthogonal ¡plate ¡can ¡operate ¡at ¡higher ¡input ¡power ¡than ¡STPD ¡ § Easier ¡to ¡achieve ¡detachment ¡than ¡for ¡short ¡leg ¡divertor ¡ § XPTD ¡detachment ¡front ¡stays ¡far ¡away ¡from ¡the ¡main ¡X-­‑point ¡ Further ¡studies ¡will ¡include ¡ ¡

• DlDng ¡XPTD ¡plates ¡
• comparison ¡to ¡Super-­‑X ¡
• mulDple ¡impurity ¡species, ¡puff/pump ¡scenarios ¡ ¡
• density ¡and ¡transport ¡variaDons, ¡… ¡

Backups

21 ¡

X-point target divertor study is motivated by the ADX tokamak concept discussed at MIT PSFC

22 ¡

• ADX ¡= ¡Advanced ¡Divertor ¡and ¡RF ¡tokamak ¡eXperiment* ¡
• Designed ¡to ¡address ¡criDcal ¡gaps ¡on ¡pathway ¡to ¡next-­‑step ¡devices ¡
• Advanced ¡divertors ¡
• Advanced ¡RF ¡actuators ¡
• Reactor-­‑prototypical ¡core ¡plasma ¡condiDons ¡ ¡

*B. ¡LaBombard ¡et ¡al., ¡Nucl. ¡Fusion ¡55, ¡053020, ¡2015. ¡