Improved analysis of impurity transport in fusion plasmas using 2D X-ray emission data: the case of W7-X stellarator

Impurities play an important role in fusion plasmas, as their presence and distribution affect plasma performance. Their concentration must be controlled to limit fuel dilution and radiative cooling in the core, while maintaining their protective function for plasma-facing components at the edge. Impurity transport determines their distribution and is described by convection and diffusion coefficients, which can be inferred from experiments. In this work, the impurity transport code \texttt{pySTRAHL} is used to model the temporal evolution of impurity densities for given transport coefficients. These are employed to predict line-integrated signals from various diagnostics, based on atomic data from the Atomic Data and Analysis Structure (ADAS) database. The comparison between measured and simulated signals is performed through Bayesian inference, which allows for the reconstruction of transport profiles and provides uncertainty estimates. The procedure relies on the maximization of a likelihood function, which accounts for the discrepancies between simulated and experimental signals as well as for the uncertainties associated with each measurement, thus avoiding a direct minimization of the mean squared error. A fast 2D x-ray tomography system has been integrated into the inference framework to provide additional spatial information. Studies with synthetic data indicate that this improves the reconstruction of transport profiles and increases the internal consistency among diagnostics. In experimental applications, the approach highlights the need for a careful characterization of diagnostics and a better understanding of their relative contribution to the inference process, especially in view of the complex diagnostic arrangement available on Wendelstein 7-X. Special attention is required for the XMCTS system, where the emissivity appears to be non-uniform on flux surfaces, suggesting potential issues either in the tomographic reconstruction or in the physical interpretation of high Z impurity behavior.

Le impurità rivestono un ruolo fondamentale nei plasmi da fusione, in quanto la loro presenza e distribuzione influenzano in modo determinante le prestazioni globali della macchina. È quindi essenziale controllarne la concentrazione per limitare la diluizione del combustibile nel core e il raffreddamento radiativo nell’edge, garantendo al contempo la loro funzione protettiva nei confronti dei componenti a contatto con il plasma. La distribuzione delle impurità è governata dai processi di trasporto, descritti attraverso coefficienti di diffusione e convezione, che possono essere dedotti sperimentalmente. In questo lavoro viene utilizzato il codice di trasporto delle impurità pySTRAHL per modellare l’evoluzione temporale della densità delle impurità a partire da specifici profili di trasporto. Tali densità vengono impiegate per modellare i segnali integrati lungo le linee di vista dei diversi sistemi diagnostici, utilizzando dati atomici provenienti dal database Atomic Data and Analysis Structure (ADAS). Il confronto tra segnali simulati e misurati è effettuato tramite inferenza bayesiana, che consente di ricostruire i profili di trasporto e di stimarne le relative incertezze. La procedura si basa sulla massimizzazione di una funzione di likelihood, che tiene conto della differenza tra segnali simulati e sperimentali e del livello di incertezza associato a ciascun dato, evitando tuttavia di affidarsi alla semplice minimizzazione dello scarto quadratico medio. Un sistema tomografico a raggi X bidimensionale è stato integrato nel framework di inferenza, al fine di fornire informazioni spaziali aggiuntive. Studi su dati sintetici mostrano che questa integrazione migliora la ricostruzione dei profili di trasporto e aumenta la coerenza tra le diverse diagnostiche. Nelle applicazioni sperimentali, l’approccio ha evidenziato la necessità di una caratterizzazione accurata dei sistemi diagnostici e di una comprensione approfondita del loro contributo specifico al processo di inferenza, in particolare alla luce della complessa configurazione diagnostica presente su Wendelstein 7-X. Particolare attenzione è stata dedicata al sistema XMCTS, dove l’emissività ricostruita mediante tomografia risulta non uniforme sulle superfici di flusso, suggerendo possibili criticità legate alla qualità della ricostruzione o a effetti fisici associati al trasporto delle impurità ad alto numero atomico.