Abstract

For modelling of hot plasma wall interaction, for calculation of erosion by evaporation of the ITER-FEAT vertical divertor target and for calculation of the impurity transport in the divertor, the 2-D R-MHD code FOREV-2 was developed. FOREV-2 uses a 2 ½ -D MHD model, a 2-D scheme for anisotropic radiation transport and a solution of the magnetic field equations in the plasma shield for all three components of the magnetic field.

Disruption simulation experiments performed at the plasma gun facilities at TRINITI Troitsk were used for validation of FOREV-2 and for investigations of the MHD of typical plasma shields. The 2-D numerical analysis of the disruption simulation experiments allows to conclude that such experiments adequately simulate the Tokamak plasma shield properties and its dynamics. From the results of the numerical analysis of the simulation experiments it is concluded that turbulence in the Tokamak shields is absent and that the stability of the cold and dense part of the Tokamak plasma shields which determines the target erosion can be adequately modeled by FOREV-2 by use of the classical magnetic field diffusion coefficient. Line radiation and an appropriate model for anisotropic radiation transport are necessary for a realistic calculation of radiation from the plasma shield. Moreover inclusion of line radiation allows to get a realistic radiation cooling of the plasma shield after switching off the heating.

The extensive validation exercise of FOREV-2 against disruption simulation experiments gives confidence that the numerical analysis of erosion for the ITER-FEAT vertical targets performed with FOREV-2 is based on sound principles and covers all important aspects of plasma shield behavior and plasma shield stability. In relation with vapor shields there still has to be answered the question whether a vapor shield exists in VDE events with peak target heat loads below 1 GW/m² and time duration up to 100 ms.

For simulation of brittle destruction in carbon based materials a 2-D numerical model was developed. By comparing the numerical results on brittle destruction with experimental results for volumetric heating and with results from mechanical destruction tests of graphite samples a typical failure stress value for surface bonds of s_0s=0.005 was derived. Volumetric heating produces cracks inside of the sample, surface heating results in crack propagation into the depth of the sample. In both cases some predamaging of the sample might occur. Enhancement of brittle destruction under cyclic heat loads thus can't be excluded.

Melt layer erosion of metals is dominated by melt flow. For modelling of the melt flow a 1-D fluiddynamics model based on the shallow water approximation was developed. The driving force behind the melt flow was investigated. Lorentz forces might trigger a pronounced melt motion which might sweep away a considerable part of the melt layer. The melt layer erosion thus can be considerably larger than the melt thickness formed during the heat load period.

Melt layer erosion always is accompanied by splashing. Up to 20% of the eroded mass is splashed away by droplets. Flaking from redeposited layers, dust, melt flow and droplet splashing during disruptions produce complex layers with considerable surface roughness and drastically changed thermophysical properties. The hot spots of such layers are responsible for enhanced impurity production. A characterization of such layers is urgently required.

First numerical estimations show that the maximum tolerable ELM energy is noticeably lower for redeposited layers with considerable surface roughness than for the virgin vertical target and that the ELM energy has to be reduced to values below 4 MJ for vertical targets.

Schädigung von vertikalem Target und erster Wand bei ITER-FEAT nicht normalen Betriebszuständen

Zusammenfassung

Zur numerischen Simulation der Plasma Wand Wechselwirkung, zur Berechnung der Erosion durch Verdampfen an ITER-FEAT vertikalen Targets und zur Berechnung des Transports von Verunreinigungen wurde das 2-D Strahlungs-Magnetohydrodynamik-Programm
(R-MHD) MHD FOREV-2 entwickelt. FOREV-2 verwendet ein 2 1/2-D Modell, ein 2-D winkelabhängiges Strahlungstransportmodell und eine Lösung der Magnetfeldgleichungen im Plasmaschild für alle 3 Magnetfeldkomponenten. Disruptions-Simulationsexperimente, die an den Plasmagunanlagen von TRINITI Troitsk durchgeführt werden, wurden zur Validierung von FOREV-2 und zur Untersuchung des MHD Verhaltens typischer Plasmaschilde verwendet. Die 2-D numerische Analyse hat den Nachweis erbracht, dass die Simulationsexperimente die Eigenschaften und das MHD Verhalten von Tokamak Plasmaschilden simulieren. In diesen gibt es auch bei vertikalen Targets keine Turbulenz und zur Beschreibung des MHD Verhaltens kann der klassische Magnetfelddiffusionskoeffizient verwendet werden.

Zur numerischen Simulation der Brittle Zerstörung von Graphit wurde ein 2-D Modell entwickelt. Durch Vergleich der numerischen mit experimentellen Resultaten für volumetrische Heizung und mit Resultaten mechanischer Zerstörungstests konnte der Versagenswert für die Oberflächenbindung bestimmt werden. Volumetrische Heizung produziert Risse im Innern der Probe, Oberflächenheizung verursacht Risspropagation in die Tiefe der Probe. Dies kann zur Vorschädigung führen. Damit kann es bei zyklischer Wärmebelastung zu größerer Brittle Zerstörung kommen.

Die Erosion geschmolzener Metallschichten wird durch Fluiddynamik der Schmelze bestimmt. Ein 1-D fluiddynamisches Modell wurde zur Beschreibung der Schmelzbewegung entwickelt. Lorentz Kräfte können eine Schmelzbewegung triggern. Als Folge kann ein beträchtlicher Teil der Schmelzschicht weggespült werden. Dadurch kann die Erosionstiefe größer werden als die Dicke der Schmelzschicht.

Die Erosion geschmolzener Schichten wird begleitet von Splashprozessen. Bis zu 20% der geschmolzenen Masse kann als Tropfen weggesprüht werden. Abplatzungen von redeponierten Schichten, Staub, Schmelzbewegung und Tropfenbildung erzeugen Materialschichten mit beträchtlicher Oberflächenrauigkeit und drastisch reduzierter Wärmeleitfähigkeit. An den Hot spots solcher Schichten kommt es zu verstärkter Ablation. Erste numerische Abschätzungen zeigen, dass die pro ELM maximal tolerierbare Energie für redeponierte Schichten mit Oberflächenrauigkeit beträchtlich niedriger ist als für unversehrte Oberflächen und dass für vertikale Targets die Energie der ELMs unter 4 MJ bleiben muss.