Trends in runaway electron plateau partial recombination by massive H<sub>2</sub> or D<sub>2</sub> injection in DIII-D and JET and first extrapolations to ITER and SPARC
E. M. Hollmann, L. Baylor, A. Boboc, P. Carvalho, N.W. Eidietis, J. L. Herfindal, S. Jachmich, A. Lvovskiy, C. Paz-Soldan, C. Reux, D. Shiraki, R. Sweeney
Abstract
Abstract Experimental trends in thermal plasma partial recombination resulting from massive <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" overflow="scroll"> <mml:mrow> <mml:msub> <mml:mrow> <mml:mtext>D</mml:mtext> </mml:mrow> <mml:mn>2</mml:mn> </mml:msub> </mml:mrow> </mml:math> injection into high-Z (Ar) containing runaway electron (RE) plateaus in DIII-D and JET are studied for the purpose of achieving sufficiently low electron density ( <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" overflow="scroll"> <mml:mrow> <mml:msub> <mml:mi>n</mml:mi> <mml:mrow> <mml:mtext>e</mml:mtext> </mml:mrow> </mml:msub> </mml:mrow> <mml:mo>≈</mml:mo> <mml:mrow> <mml:msup> <mml:mn>10</mml:mn> <mml:mrow> <mml:mn>18</mml:mn> </mml:mrow> </mml:msup> </mml:mrow> <mml:mrow> <mml:msup> <mml:mrow> <mml:mtext>m</mml:mtext> </mml:mrow> <mml:mrow> <mml:mo>−</mml:mo> <mml:mn>3</mml:mn> </mml:mrow> </mml:msup> </mml:mrow> </mml:math> ) to increase RE final loss MHD levels. In both DIII-D and JET, thermal electron density <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" overflow="scroll"> <mml:mrow> <mml:msub> <mml:mi>n</mml:mi> <mml:mrow> <mml:mtext>e</mml:mtext> </mml:mrow> </mml:msub> </mml:mrow> </mml:math> is found to drop by ∼100 <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" overflow="scroll"> <mml:mo>×</mml:mo> </mml:math> when the thermal plasma partially recombines, with a minimum at a vacuum vessel-averaged <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" overflow="scroll"> <mml:mrow> <mml:msub> <mml:mrow> <mml:mtext>D</mml:mtext> </mml:mrow> <mml:mn>2</mml:mn> </mml:msub> </mml:mrow> </mml:math> density in the range <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" overflow="scroll"> <mml:mrow> <mml:msup> <mml:mn>10</mml:mn> <mml:mrow> <mml:mn>20</mml:mn> </mml:mrow> </mml:msup> </mml:mrow> <mml:mo>−</mml:mo> <mml:mrow> <mml:msup> <mml:mn>10</mml:mn> <mml:mrow> <mml:mn>21</mml:mn> </mml:mrow> </mml:msup> </mml:mrow> <mml:mrow> <mml:msup> <mml:mrow> <mml:mtext>m</mml:mtext> </mml:mrow> <mml:mrow> <mml:mo>−</mml:mo> <mml:mn>3</mml:mn> </mml:mrow> </mml:msup> </mml:mrow> </mml:math> . RE effective resistivity also drops after partial recombination, indicating expulsion of the Ar content. The <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" overflow="scroll"> <mml:mrow> <mml:msub> <mml:mi>n</mml:mi> <mml:mrow> <mml:mtext>e</mml:mtext> </mml:mrow> </mml:msub> </mml:mrow> </mml:math> level after partial recombination is found to increase as RE current is increased. The amount of initial Ar in the RE plateau is not observed to have a strong effect on partial recombination. Partial recombination timescales of order 5 ms in DIII-D and 15 ms in JET are observed. These basic trends and timescales are matched with a 1D diffusion model, which is then used to extrapolate to ITER and SPARC tokamaks. Within the approximations of this model, it is predicted that ITER will be able to achieve sufficiently low <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" overflow="scroll"> <mml:mrow> <mml:msub> <mml:mi>n</mml:mi> <mml:mrow> <mml:mtext>e</mml:mtext> </mml:mrow> </mml:msub> </mml:mrow> </mml:math> values on time scales faster than expected RE plateau vertical drift timescales (of order 100 ms), provided sufficient <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" overflow="scroll"> <mml:mrow> <mml:msub> <mml:mrow> <mml:mtext>D</mml:mtext> </mml:mrow> <mml:mn>2</mml:mn> </mml:msub> </mml:mrow> </mml:math> or <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" overflow="scroll"> <mml:mrow> <mml:msub> <mml:mrow> <mml:mtext>H</mml:mtext> </mml:mrow> <mml:mn>2</mml:mn> </mml:msub> </mml:mrow> </mml:math> is injected. In SPARC, it is predicted that achieving significant <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" overflow="scroll">