Modeling the radiative power load on the EU-DEMO PFCs during a mitigated plasma disruption

According to the current, pre-conceptual design, the EU-DEMO First Wall (FW) will be made of a 2 mm tungsten (W) layer directly facing the plasma, followed by 2 mm Eurofer structural material. In order not to damage the thin external layer, heat loads distributed onto the FW should be carefully controlled. In steady-state nominal operation the maximum acceptable load is 1 MW/m^2. In case of transient events, as for example plasma disruptions, this limit will be largely exceeded. Therefore, when the control system detects an upcoming disruption, impurities can be injected in the plasma in the form of shattered pellets or massive gas injection (SPI or MGI, respectively) to mitigate the event. The mitigation aims at enhancing as much as possible the radiation emission to quickly spread the plasma internal energy onto the entire FW surface. The target of this work is to assess the radiative load distribution on the EU-DEMO first wall during a mitigated plasma disruption for the development of wall-protection strategies. To obtain this information, the Monte Carlo ray tracing code CHERAB, originally developed at UKAEA, was used. Simulations of simplified test case led to systematic investigations of both code capabilities and limitations, from a quantitative perspective. Starting from this understanding, an averaging procedure was developed to improve the Monte Carlo statistics in the CHERAB code, together with a new analysis to quantitatively motivate any conclusion drawn. In particular, the former allowed to lower the statistical noise produced by the original code version with a limited number of test rays. Nevertheless, this was not sufficient to obtain a satisfactory level of precision and, therefore, the averaging procedure was applied to simulations with an enhanced number of test rays. Four different test radiation sources were assumed to mimic an equal number of possible emission distributions and impurities penetration depths. As CHERAB is capable of handling sophisticated 3D geometries, it was possible take advantage of the latest CAD files for the FW which resulted in an accurate triangulation of the chamber surfaces. By applying both the above-mentioned improved techniques, the estimated peak power flux on the FW was shown to be around 30% lower with respect to previous estimates, resulting in a value of about 410 MW/m^2 on the outboard equatorial limiter. This number suggests that possible overall improvements for the EU-DEMO design can be foreseen. Moreover, it was found that a high penetration condition of the injected impurities would be beneficial in terms of mitigation of the transient, even though not necessarily feasible in practice.

Stando all'attuale design pre-concettuale, si prevede che la prima parete (FW) di EU-DEMO sia composta da uno strato di tungsteno (W) di 2 mm direttamente affacciato sul plasma, seguito da Eurofer come materiale strutturale. Al fine di non danneggiare il sottile strato esterno, i carichi termici distribuiti sul FW devono essere accuratamente controllati. Durante l'operazione nominale in regime stazionario, il massimo carico accettabile è di 1 MW/m^2. Nel caso di eventi transitori, come ad esempio di disruzione del plasma, questo limite può essere largamente oltrepassato. Perciò, quando il sistema di controllo rileva l'arrivo di una disruzione, delle impurezze possono essere iniettate nel plasma in forma di pellet frammentati o di iniezione massiva di gas (SPI e MGI rispettivamente) per mitigare l'evento. La mitigazione mira ad aumentare il più possibile l'emissione di radiazione per disperdere rapidamente l'energia interna del plasma sull'intera superficie del FW. L'obiettivo di questo lavoro è valutare la distribuzione di carico radiativo sulla prima parete di EU-DEMO durante una disruzione di plasma mitigata. Questo per supportare lo sviluppo di strategie di protezione della parete stessa. Per ottenere questo risultato è stato usato CHERAB, codice Monte Carlo di tracciamento di raggi sviluppato presso la UKAEA. La simulazione di casi di test semplificati ha portato ad investigazioni sistematiche sia delle capacità che delle limitazioni del codice da un punto di vista quantitativo. A partire da questi risultati, sono state sviluppate una procedura di media per migliorare la statistica Monte Carlo in CHERAB e una nuova analisi per motivare quantitativamente le conclusioni tratte. In particolare, la prima ha dato la possibilità di ridurre il rumore statistico prodotto dalla versione originale del codice con un ridotto numero di raggi. Tuttavia, di per sé, questo non si è rivelato sufficiente per ottenere un livello di precisione soddisfacente e, dunque, la procedura di media è stata applicata a simulazioni con incrementato numero di raggi. Quattro diverse sorgenti di radiazione di test sono state prese in considerazione per imitare un ugual numero di differenti distribuzioni e profondità di penetrazione delle impurezze. Dato che CHERAB è in grado di lavorare con sofisticate geometrie 3D, è stato possibile sfruttare i più recenti file CAD della prima parete, cosa che è risultata in una accurata triangolazione delle superfici. Applicando entrambe le nuove tecniche sopra menzionate, il picco del flusso di potenza stimato, intorno a 410 MW/m^2 sul limiter equatoriale esterno, è stato dimostrato essere circa il 38% più basso rispetto a stime precedenti. Questo suggerisce che si possano apportare delle migliorie nel design di EU-DEMO. In aggiunta, si è stabilito che una sostanziale penetrazione delle impurezze iniettate possa essere d'aiuto nel mitigare il transitorio ma ciò, tuttavia, non è necessariamente realizzabile nella pratica.