Typen kulkeutuminen JET-tokamakin diverttorissa

Nitrogen gas injection is considered a promising option for mitigating the heat loads to plasma-facing components in magnetic confinement fusion devices. However, in the center of the plasma where the temperature is high enough for fusion reactions to occur, nitrogen ions dilute the fusion fuel and cool down the plasma by radiation. It is thus advantageous if the injected nitrogen gas is retained near the plasma-facing components under the highest heat loads, and away from the center of the plasma. To better understand nitrogen transport in the plasma edge region of the Joint European Torus (JET) fusion test device, predictions from two computational tools, EDGE2D-EIRENE and ERO2.0, are compared to each other and to experimental data. In addition, the effects of molecular break-up are investigated using ERO2.0, which is capable of simulating a set of nitrogen molecular dissociation and ionization reactions. EDGE2D-EIRENE and ERO2.0 predictions agree within a factor of two on the density of atomic and singly-charged nitrogen in the low-field side divertor region. ERO2.0 predicts a higher nitrogen ion density in the private flux region due to a spatially constant cross-field particle diffusivity (varied in EDGE2D-EIRENE) and magnetic drifts (disabled in EDGE2D-EIRENE due to numerical stability issues). In a scenario with a highly localized radiation distribution, EDGE2D-EIRENE predicts higher integrated radiation due to the coarse magnetically aligned grid. Numerical artefacts in ERO2.0 lead to unphysical behavior of multiply-charged nitrogen ions. Including the nitrogen molecular dissociation process is predicted to increase plasma penetration of nitrogen atoms and lead to higher densities of nitrogen in the main plasma, but only under the assumption that all nitrogen ion impacts with the device walls produce molecular nitrogen as opposed to atomic nitrogen. EDGE2D-EIRENE predictions were found to be more consistent with the measured emission from singly ionized nitrogen than ERO2.0 predictions for actual diagnostics lines of sight. At the radially most inward measurement point, the ERO2.0 predictions are more consistent with the experimental data than the EDGE2D-EIRENE predictions.Typpikaasun suihkutusta voidaan käyttää pienentämään nykyisten fuusiokoelaitteiden ja tulevaisuuden fuusioreaktorien seinämien lämpökuormia. Typpi-ionien kulkeutuminen plasman keskiöön kuitenkin viilentää plasmaa säteilemällä sekä aiheuttaa fuusiopolttoaineen laimentumista. Jos typpi-ionit saadaan pidettyä lähellä seinämiä, voidaan samanaikaisesti suojella seinämiä lämpökuormalta sekä ylläpitää plasman keskiössä fuusioreaktioiden vaatimaa korkeaa lämpötilaa. Tässä työssä tutkitaan typen kulkeutumista Joint European Torus-tokamakin (JET) reunaplasmassa kahdella laskennallisella työkalulla, ERO2.0:lla ja EDGE2D-EIRENE:lla. Koodien tuottamia ennusteita vertaillaan toisiinsa sekä kokeelliseen dataan. Lisäksi tutkitaan typpimolekyylien hajoamisketjun vaikutusta ERO2.0:lla, joka pystyy mallintamaan molekyylien ionisaatio- ja hajoamisreaktioita. EDGE2D-EIRENE:n ja ERO2.0:n typpiatomien ja kertaalleen varautuneiden typpi-ionien tiheysennusteet ulomman diverttorin alueella eroavat toisistaan korkeintaan kertoimella kaksi. ERO2.0 ennustaa korkeampia typpi-ionien tiheyksiä private flux-alueella johtuen paikan funktiona muuttumattomasta diffuusiovakiosta (diffuusiovakio vaihtelee EDGE2D-EIRENE simulaatioissa paikan funktiona) sekä magneettisista drifteistä (EDGE2D-EIRENE-simulaatioissa driftit on kytketty pois päältä numeerisen vakauden parantamiseksi). EDGE2D-EIRENE:n käyttämä magneettikenttää mukaileva laskentaruudukko johtaa korkeampiin typen integroidun säteilytehon ennusteisiin, jos säteilyteho on keskittynyt pienelle alueelle. Numeeriset artefaktit ERO2.0-simulaatioissa tuottavat epäfysikaalisia ennusteita moninkertaisesti varautuneille typpi-ioneille. Typpimolekyylien hajoamisreaktiot lisäävät typen kulkeutumista plasman keskiöön, jos oletetaan, että typpi-ionien törmätessä laitteen seinämiin syntyy typpimolekyylejä, eikä typpiatomeja. EDGE2D-EIRENE:n ennusteet vastaavat paremmin kertaalleen varautuneen typpi-ionin säteilyintensiteetin kokeellisia mittaustuloksia, paitsi lähimpänä tokamakin symmetria-akselia sijaitsevassa mittauspisteessä, jossa ERO2.0:n tuottama ennuste on lähempänä kokeellista dataa