Dokument: Analyse des Verunreinigungstransports mit dem EMC3-EIRENE-Code unter Einbeziehung von Randplasmamessungen an W7-X in Inseldivertor-Konfiguration
| Titel: | Analyse des Verunreinigungstransports mit dem EMC3-EIRENE-Code unter Einbeziehung von Randplasmamessungen an W7-X in Inseldivertor-Konfiguration | |||||||
| Weiterer Titel: | Impurity transport analysis using the EMC3-EIRENE code by taking into account plasma edge measurements on W7-X with an island divertor configuration | |||||||
| URL für Lesezeichen: | https://docserv.uni-duesseldorf.de/servlets/DocumentServlet?id=73333 | |||||||
| URN (NBN): | urn:nbn:de:hbz:061-20260616-091354-5 | |||||||
| Kollektion: | Dissertationen | |||||||
| Sprache: | Englisch | |||||||
| Dokumententyp: | Wissenschaftliche Abschlussarbeiten » Dissertation | |||||||
| Medientyp: | Text | |||||||
| Autor: | Luo, Yu [Autor] | |||||||
| Dateien: |
| |||||||
| Beitragende: | Prof. Dr. Liang, Yunfeng [Gutachter] Prof. Dr. Pretzler, Georg [Gutachter] | |||||||
| Stichwörter: | Wendelstein 7-X; EMC3-EIRENE; impurity transport; synthetic diagnostics; marchine learning | |||||||
| Dewey Dezimal-Klassifikation: | 500 Naturwissenschaften und Mathematik » 530 Physik | |||||||
| Beschreibungen: | Wendelstein 7-X (W7-X) soll den Dauerbetrieb eines Stellarators mit 10 MW für 30 Minuten im Inseldivertor-Konzept demonstrieren. Um das Risiko einer Beschädigung plasmaexponierter Komponenten zu verringern, ist eine strikte Kontrolle des Wärme- und Teilchenausstoßes erforderlich. Frühere Untersuchungen haben gezeigt, dass die Energiedissipation über Strahlung von Verunreinigungen eine wirksame Methode zur Minderung der Divertor-Wärmelasten darstellt. Allerdings erschweren die komplexe dreidimensionale Magnetfeldtopologie von W7-X und der begrenzte diagnostische Zugang die Analyse des Verunreinigungstransports erheblich. Als dreidimensionaler Randtransportcode ist daher EMC3-EIRENE zu einem wichtigen Werkzeug für quantitative Verunreinigungstransportstudien an W7-X geworden.
Um das Verhalten von Verunreinigungen im Inseldivertor besser zu analysieren, wurde in der Nachverarbeitung von EMC3-EIRENE ein synthetisches Diagnostikverfahren für das Divertor-Spektroskopiesystem entwickelt. Da die Spektrallinienstrahlung stark von den lokalen Plasmabedingungen abhängt, ermöglicht die synthetische Rekonstruktion eine engere Einschränkung der Eingabeparameter von EMC3-EIRENE, insbesondere der Koeffizienten des senkrechten Transports. Systematische Parameterscans deuten darauf hin, dass eine geeignete Abstimmung der Eingabeparameter zu EMC3-EIRENE-Simulationen führt, die besser mit den experimentellen Ergebnissen übereinstimmen. Im Vergleich zu räumlich homogenen Senkrechttransportkoeffizienten verbessern nicht-uniforme Koeffizientenverteilungen die Übereinstimmung zwischen Simulationen und Messungen zusätzlich. Durch die Kopplung des HINT-Gleichgewichtslösers an EMC3-EIRENE können der Einfluss von Gleichgewichtseffekten (Plasmabeta und toroidaler Plasmastrom) auf die Magnetfeldtopologie sowie die Auswirkungen der daraus resultierenden Topologieänderungen auf den Verunreinigungstransport bewertet werden. Mit toroidalem Strom wird die Restinsel nach innen gezogen, während die Verunreinigungsverteilung nahezu unverändert bleibt. Bei einem endlichen Plasmabeta von 2 % auf der Achse nimmt die Stochastisierung der Feldlinien zu und die Verbindungslänge in offenen Feldregionen verkürzt sich, wodurch die Impuritätsquelle über einen veränderten Divertor-Teilchenfluss verändert wird und die Transporteigenschaften modifiziert werden. Die manuelle Anpassung der Eingaben von EMC3-EIRENE erfordert wiederholte Gesamtsimulationen mit variierenden Eingaben, was sowohl arbeitsintensiv als auch rechenaufwendig ist. Um dieses Problem zu lösen, wurde ein zweistufiges neuronales Netz als Surrogatmodell entwickelt, das diagnostische Messungen schnell auf EMC3-EIRENE-konsistente Randplasmavorhersagen abbildet. In der ersten Stufe reproduziert ein Feedforward-Neuronales Netz die synthetischen Diagnosesignale, die EMC3-EIRENE für einen gegebenen Parametersatz erzeugen würde, und liefert innerhalb eines Bayes’schen Rahmens posteriori Schätzungen der Eingabeparameter von EMC3-EIRENE, die mit den Messungen konsistent sind. In der zweiten Stufe werden diese abgeleiteten Eingaben auf vollständige Plasmaparameterverteilungen abgebildet: Ein Autoencoder wird auf vollständigen Simulationsergebnissen trainiert, um einen kompakten latenten Raum zu definieren; anschließend wird ein Mapping-Netzwerk trainiert, das den latenten Raum aus den bayesianisch abgeleiteten Eingaben vorhersagt; zuletzt werden das Mapping-Netzwerk und der Decoder gemeinsam feinabgestimmt, um die vollständigen Randplasmadaten zu rekonstruieren. Zusammen ermöglichen diese Schritte EMC3-EIRENE-konsistente Vorhersagen direkt aus Diagnosen und eröffnen so großangelegte Parameterscans, eine schnelle Szenarioplanung sowie eine Inter-Shot-Analyse im Kontrollraum während des W7-X-Betriebs.Wendelstein 7-X (W7-X) aims to demonstrate steady-state stellarator operation at 10 MW for 30 minutes using an island divertor configuration. To reduce the risk of damaging plasma-facing components, rigorous control of heat and particle exhaust is required. Previous research has shown that energy dissipation via impurity radiation is an effective way to mitigate divertor heat loads. However, W7-X’s complex three-dimensional magnetic topology and limited diagnostic access make impurity transport analysis particularly challenging. As a three-dimensional edge transport code, EMC3-EIRENE has therefore become an important tool for quantitative impurity transport studies on W7-X. To better analyze impurity transport behavior in the island divertor, a synthetic diagnostic for the divertor spectroscopy system was developed in EMC3-EIRENE post-processing. Because line radiation is highly sensitive to local plasma conditions, the synthetic reconstruction allows tighter constraints on EMC3-EIRENE input parameters, particularly the cross-field transport coefficients. Systematic parameter scans indicate that appropriate tuning of the input parameters yields EMC3-EIRENE simulations that more closely match the experimental results. Compared with spatially uniform cross-field coefficients, non-uniform settings further improve agreement between simulations and measurements. By coupling the HINT equilibrium solver to EMC3-EIRENE, the influence of equilibrium effects (plasma beta and toroidal plasma current) on magnetic topology, and the impact of the resulting topology changes on impurity transport, could be evaluated. With toroidal current, the remnant island is pulled inward while the impurity distribution remains almost unchanged. With a finite on-axis plasma beta of 2 %, field-line stochastization increases and the connection length in open-field regions shortens, thereby altering the impurity source via a changed divertor particle flux and modifying transport property. Manual tuning of EMC3-EIRENE inputs involves iterating full simulations over varying inputs, which is laborious and computationally expensive. To address this problem, a two-stage neural-network surrogate was built to rapidly map diagnostic measurements to EMC3-EIRENE-consistent edge-plasma predictions. In the first stage, a feedforward neural network reproduces the synthetic diagnostic signals that EMC3-EIRENE would generate for a given input set and, within a Bayesian framework, returns posterior estimates of EMC3-EIRENE input parameters consistent with the measurements. In the second stage, those inferred inputs are mapped to full plasma parameter distributions: an autoencoder is trained on full simulation outputs to define a compact latent space; a mapping network is then trained to predict the latent space from the Bayesian inferred inputs; lastly, the mapping network and decoder are fine-tuned jointly to reconstruct the full edge-plasma parameters. Together, these steps provide EMC3-EIRENE-consistent predictions directly from diagnostics, enabling large-scale parameter scans, rapid scenario planning, and inter-shot analysis in the control room during W7-X operation. | |||||||
| Lizenz: |  Dieses Werk ist lizenziert unter einer Creative Commons Namensnennung 4.0 International Lizenz | |||||||
| Fachbereich / Einrichtung: | Mathematisch- Naturwissenschaftliche Fakultät | |||||||
| Dokument erstellt am: | 16.06.2026 | |||||||
| Dateien geändert am: | 16.06.2026 | |||||||
| Promotionsantrag am: | 24.09.2025 | |||||||
| Datum der Promotion: | 23.03.2026 |
