Experimental results with the Cooled Lithium Limiter (CLL) - PowerPoint PPT Presentation

Experimental ¡results ¡with ¡the ¡Cooled ¡ Lithium ¡Limiter ¡(CLL) ¡on ¡FTU ¡ Giuseppe Mazzitelli ENEA Technological Fusion Division The ¡First ¡IAEA ¡ Technical ¡Mee<ng ¡on ¡Divertor ¡Concepts Wien 29 Sep – 2 Oct. 2015 Many ¡thanks ¡to: ¡M.L ¡Apicella, ¡M.Iafra;, ¡G. ¡Apruzzese, ¡G. ¡Calabrò, ¡G. ¡ Ramogida, ¡I. ¡Lyublinski, ¡A. ¡Vertkov ¡and ¡the ¡FTU ¡TEAM ¡

Outline ¡ ¡ • Introduc;on ¡ ¡ • CLL ¡ • Experimental ¡results ¡ • A ¡simple ¡radia;ve ¡model ¡ ¡ • Future ¡Plan ¡ IAEA ¡Wien ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡2 ¡

Introduc<on ¡ Since ¡ 2006 ¡ experiments ¡ with ¡ a ¡ liquid ¡ lithium ¡ limiter ¡ (LLL) ¡ are ¡ carried ¡ out ¡ on ¡ FTU ¡ with ¡ very ¡ interes;ng ¡ and ¡ promising ¡ experiemnts. ¡Even ¡if ¡the ¡liquid ¡limiter ¡was ¡always ¡ ¡in ¡the ¡shadow ¡ of ¡the ¡main ¡toroidal ¡limiter ¡ ¡between ¡one ¡and ¡two ¡cen;meters ¡ away ¡from ¡the ¡last ¡closed ¡magne;c ¡surface ¡and ¡its ¡toroidal ¡and ¡ poloidal ¡ extensions ¡ is ¡ very ¡ limited, ¡ few ¡ discharges ¡ were ¡ sufficient ¡to ¡get ¡very ¡clean ¡plasma ¡also ¡in ¡presence ¡of ¡addi;onal ¡ hea;ng ¡ power. ¡ But ¡ many ¡ other ¡ posi;ve ¡ effects ¡ have ¡ been ¡ observed ¡ as ¡ impurity ¡ reduc;on, ¡ increase ¡ of ¡ the ¡ energy ¡ confinement ¡;me, ¡suppression ¡of ¡MHD ¡ac;vity ¡etc ¡ . ¡ Now, ¡most ¡of ¡work ¡is ¡focused ¡on ¡heat ¡loads ¡and ¡a ¡comparison ¡ of ¡low ¡Z ¡(Li) ¡and ¡high ¡Z ¡(Sn) ¡liquid ¡metals ¡ IAEA ¡Wien ¡ ¡ ¡ ¡3 ¡

Cooled Lithium Limiter Mo tube CPS W structure IAEA ¡Wien ¡ ¡ ¡ ¡4 ¡

Cooled Lithium Limiter Plasma interacting area ~ 100 cm 2 Li amount up to 70 cm 3 / 35 g CLL initial temperature > 200 o C CLL Melting point 180.6 °C Boiling point 1342 °C IAEA ¡Wien ¡ ¡ ¡ ¡5 ¡

CLL Main ¡Characteris<cs ¡ ¡ ¡ ¡ Parameter Value ¡ Ini;al ¡lithium ¡surface ¡temperature ¡ ¡ ¡ ¡ ¡≥200 o C Lithium ¡surface ¡temperature ¡ ¡ ¡ ¡ ¡≤450-­‑550 o C during ¡plasma ¡interac;on Power ¡of ¡heat ¡removal up ¡to ¡100 ¡kW Plasma ¡interac;ng ¡area ¡ ¡ ¡ ¡~ ¡100 ¡cm 2 Lithium ¡amount ¡(volume/weight) up ¡to ¡70 ¡cm 3 ¡/ ¡35 ¡g Element ¡dimensions ¡(L ¡× ¡H ¡× ¡W) ~330 ¡× ¡~205 ¡× ¡~32 ¡mm IAEA ¡Wien ¡ ¡ ¡ ¡6 ¡

Experiments with CLL I p [10 5 ¡A] ¡ n e ¡[10 18 ¡m -­‑3 ] ¡ Hor. ¡Pos.[m] ¡ ¡ Vert. ¡Pos[m] ¡ We ¡focused ¡our ¡analysis ¡on ¡heat ¡ load ¡on ¡a ¡specific ¡shot ¡#37789 ¡ IAEA ¡Wien ¡ ¡ ¡ ¡7 ¡

Experiments with CLL Visible Spectroscopy Li Δ =+0.5 cm Δ =+1.0 cm Δ = +1.5 cm D α Δ = distance of CLL from LCMS IAEA ¡Wien ¡ ¡8 ¡

Experiments with CLL Visible Spectroscopy IAEA ¡Wien ¡ ¡9 ¡

Experiments with CLL Heat ¡loads ¡ ANSYS ¡ Simula;on ¡ Surface ¡CLL ¡T ¡;me ¡evolu;on ¡ Input ¡heat ¡load ¡ ¡ Max ¡ 2.3MW/m2 ¡for ¡1.5 ¡s ¡ T h e ¡ C L L ¡ s u r f a c e ¡ In ¡ the ¡ simula;on ¡ we ¡ takes ¡ into ¡ the ¡ account ¡ t e m p e r a t u r e ¡ w e r e ¡ the ¡shape ¡of ¡the ¡plasma ¡as ¡reconstructed ¡by ¡ monitored ¡ by ¡ a ¡ IR ¡ fast ¡ the ¡ equilibrium ¡ code, ¡ the ¡ power ¡ to ¡ the ¡ SOL ¡ camera. ¡ ( ¡P ohm -­‑ ¡P rad ¡) ¡and ¡λ q =1cm. ¡Data ¡cooling ¡water: ¡ T i n = 1 9 0 ° C ¡ T o u t = 1 9 9 . 4 ° C ¡ P = 2 . 9 M P a ¡ CLL ¡ Flow=0.06Kg/s ¡(v=0.44 ¡m/s) ¡ No ¡droplets ¡by ¡visible ¡camera ¡during ¡discharges ¡ ¡ or ¡surface ¡damages ¡ ¡were ¡observed ¡aker ¡shots ¡ IAEA ¡Wien ¡ ¡10 ¡

Experiments with CLL Hot ¡ spots ¡ on ¡ the ¡ surface ¡ are ¡ automa;cally ¡ recognized ¡ by ¡ using ¡ a ¡ nonlinear ¡ image ¡ filtering ¡ approach, ¡ building ¡ up ¡ a ¡ CNN ¡ (Cellular ¡ Nonlinear ¡ Network) ¡ based ¡ algorithm ¡ ¡ developed ¡ in ¡ MATLAB ¡ environment, ¡ giving ¡ the ¡ capability ¡ to ¡ localize ¡ them ¡ in ¡ the ¡ limiter ¡ geometry. ¡ Using ¡ this ¡ tool ¡ it ¡ has ¡ been ¡ shown ¡ a ¡ posi;on ¡ matching ¡ between ¡the ¡hot ¡spots ¡and ¡the ¡intermediate ¡space ¡between ¡strips ¡on ¡ the ¡limiter ¡surface ¡ IAEA ¡Wien ¡ ¡11 ¡

New ¡improvements ¡ A ¡new ¡curvature ¡radius ¡ IAEA ¡Wien ¡ ¡12 ¡

New ¡Improvements ¡– ¡Long ¡Pulse ¡ Sta;onary ¡high ¡heat ¡flux ¡controlled ¡by ¡plasma ¡posi;on ¡(up ¡to ¡10MW/m 2 ¡for ¡5s ¡-­‑ ¡4.5s ¡achieved) ¡ IAEA ¡Wien ¡ ¡13 ¡

New ¡Improvements ¡– ¡D ¡shaped ¡plasma ¡ W e ¡ h a v e ¡ m a d e ¡ s o m e ¡ preliminary ¡shots ¡to ¡verify ¡the ¡ possibility ¡to ¡have ¡a ¡D-­‑shaped ¡ plasma ¡ with ¡ the ¡ X-­‑point ¡ near ¡ the ¡CLL. ¡ In ¡these ¡discharges ¡we ¡plan ¡to ¡ inject ¡ 0.5 ¡ MW ¡ of ¡ ECRH ¡ that ¡ using ¡the ¡usual ¡scaling ¡should ¡ permit ¡to ¡get ¡H-­‑mode ¡ IAEA ¡Wien ¡ ¡14 ¡

The ¡old ¡ Liquid ¡Lithium ¡Limiter ¡ Langmuir ¡probes ¡ Thermocouples ¡ Heater ¡electrical ¡ cables ¡ IAEA ¡Wien ¡ ¡15 ¡

Radia<ve ¡Model ¡ #33206 ¡ IAEA ¡Wien ¡ ¡16 ¡

Radia<ve ¡Model ¡ IR ¡Temperature ¡ Bolometric ¡ measurements ¡ Time ¡(s) ¡ IAEA ¡Wien ¡ ¡17 ¡

Radia<ve ¡Model ¡ What ¡is ¡the ¡reason ¡for ¡the ¡temperature ¡decrease ¡on ¡the ¡module ¡surface ¡? ¡ ¡ We ¡start ¡analyzing ¡the ¡heat ¡equa;on ¡in ¡the ¡approxima;on ¡of ¡semi-­‑infinite ¡ module ¡ ¡ Where: ¡ ¡ Q in ¡is ¡the ¡heat ¡load ¡on ¡the ¡limiter ¡ ¡ Q loss ¡is ¡the ¡sum ¡of ¡three ¡contribu;on: ¡radia;ve ¡losses, ¡evapora;on ¡and ¡the ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡replenishment ¡ ¡ ¡liquid ¡lithium. ¡ ¡ We ¡are ¡neglec;ng ¡redeposi;on ¡and ¡spuwering!!! ¡ IAEA ¡Wien ¡ ¡18 ¡

Radia<ve ¡Model ¡ Q in ¡is ¡deduced ¡by ¡the ¡well ¡known ¡formula ¡for ¡ a ¡semi-­‑infinite ¡module ¡ Where: ¡ ¡ K ¡ ¡thermal ¡conduc/vity ¡ α ¡thermal ¡diffusivity ¡ IAEA ¡Wien ¡ ¡19 ¡

Radia<ve ¡Model ¡ By ¡solving ¡the ¡eq. ¡in ¡the ¡ p r e v i o u s ¡ s l i d e ¡ i s ¡ possible ¡ to ¡ deduce ¡ the ¡ heat ¡load ¡on ¡the ¡limiter ¡ ¡ 1.0 ¡ 1.1 ¡ 1.2 ¡ 1.3 ¡ 1.4 ¡ 1.5 ¡ 1.6 ¡ IAEA ¡Wien ¡ ¡20 ¡

Radia<ve ¡Model ¡ First ¡ of ¡ all ¡ we ¡ have ¡ es;mated ¡ the ¡ contribu;on ¡ of ¡ the ¡ three ¡ different ¡ terms ¡ ¡ assuming ¡constant ¡values ¡for ¡the ¡electron ¡density ¡and ¡temperature ¡consistent ¡ with ¡the ¡measurements ¡ In ¡the ¡following ¡we ¡neglect ¡Q sost , ¡i.e. ¡the ¡heat ¡loss ¡due ¡to ¡the ¡refilling/subs;tu;on ¡of ¡ the ¡evaporated ¡surface ¡ IAEA ¡Wien ¡ ¡21 ¡

Radia<ve ¡Model ¡ The ¡evapora;ve ¡lithium ¡flux ¡ ¡ φ ¡has ¡been ¡evaluated ¡ by ¡the ¡following ¡formula ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ In ¡which ¡ ¡ ¡ ¡ T s ¡ is ¡the ¡surface ¡temperature ¡ ¡ K B ¡ is ¡Boltzmann’ ¡s ¡constant ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ Δ ¡H ¡ is ¡latent ¡evapora;on ¡heat ¡ ¡ ¡p 0 ¡ ¡ is ¡a ¡costant ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ IAEA ¡Wien ¡ ¡22 ¡

Radia<ve ¡Model ¡ Solving ¡the ¡equa;on ¡the ¡fit ¡is ¡sa;sfactory ¡ ¡ 1.0 ¡ 2.0 ¡ 0.0 ¡ 1.5 ¡ 0.5 ¡ T ¡ Time ¡(s) ¡ The ¡vapour ¡ ¡shield ¡is ¡a ¡very ¡important ¡effect ¡ IAEA ¡Wien ¡ ¡23 ¡

Different ¡Liquid ¡Metal ¡in ¡FTU ¡ Cooled ¡Liquid ¡Li ¡Limiter ¡(2013/14/16) ¡ Cooled ¡Liquid ¡Sn ¡Limiter ¡(2016) ¡ – Water ¡hea;ng/cooling ¡ – Electrical ¡hea;ng ¡ – Water ¡cooling ¡ Ø New ¡Experiments ¡2016 ¡ IAEA ¡Wien ¡ ¡24 ¡