escturn_psi_hot_123301_2170_efallc_000
DIII-D 3D edge physics capabilities: modeling,experiments and physics validation
mpi-nav_al_r1_c1
LLNL-gold
Presented by T.E. Evans1
I. Joseph2, R.A. Moyer2,
M.J. Schaffer1,
A. Runov3, R. Schneider3,
S.V. Kasilov4,
M.E. Fenstermacher5, M. Groth5,
J.W. Watkins6
1GA, 2UCSD, 3MPI-Griefswald,
4Kharkov IPT, 5LLNL, 6SNL,
Presented at
NCSX Research Forum 2006
December 8th, 2006
GA
DIII-D has generated capability in 3D edge physicsmodeling & interest in validation of physical models
DIII-D’s most successful ELM suppression techniques rely on theessential 3D physics of non-axisymmetric perturbations
RMP H-mode: externally induced resonant fields
QH-mode: internally generated, nonlinearly saturated EHOhypothesis
3D equilibrium reconstructions are critical to validating underlyingphysics mechanisms
DIII-D plasmas can be used to benchmark 3D equilibrium codes
VMEC, V3FIT, PIES, EFIT + ideal DCON response, …
Field line tracing used to explore field structure: TRIP3D (GA)
Braginskii 2-fluid codes used for equilibrium transport
E3D (MPI-Greifswald) thermal transport in stochastic fields
EMC3-EIRENE (FZ-Jülich) currently used by TEXTOR collaborators
MHD: NIMROD, M3D, JOREK
Key physics issues for DIII-D are clearly important forNCSX
Can we validate the physics of resonant magnetic fieldpenetration?
MHD modeling by NIMROD, M3D, JOREK codes can be used toassess physics of forced reconnection at finite toroidal flow
Extended MHD models can test various neoclassical predictions forviscosity
Parallel kinetic closures can extend validity to lower collisionality
ELM peeling-ballooning stability needs to be reassessed in 3Dequilibria
Experimental results from DIII-D and JET seem to indicate that theType-I ELM threshold can be continuously tuned by applyingexternal perturbations
MHD modeling by NIMROD, M3D, JOREK
ELITE-3D??? will be required for efficient analysis of experimentalstability threshold
ISP
ISP
Magnetic footprint structures predicted by TRIP3D/E3Dhave been observed on Xpt/IR-TV
Xpt-TV ISP: filtered D123301 2170 ms
TRIP3D ISP: field lines 123301 2170 ms
Asymmetric footprint observationscan be used to validate themagnetic field model
LLNL-gold
123301_2104_240perp-clean
E3D ISP heat flux
122342 4650 ms I-coil only
mpi-nav_al_r1_c1
footprint_hot_123301
q95=3.55
Drift Effects?
Detailed OSP footprint can be compared to strikepoint sweep of Langmuir probe array
ISP_LPA150
mpi-nav_al_r1_c1
OSP_DTV180
LPA: 125912 3200-3800 ms
Jsat at  =180o
Proper in-out asymmetry may require asymmetric Danom
Drift effects? extra bump in private flux zone requires new explanation
E3D: 122342 4650 ms
  ISP at =150o and OSP at =180o
Paradox: the RMP primarily controls peeling-ballooningstability through particle transport!  n decreases, not T
rmp_scan_hitri
rmp_scan_hitri_profs
Resolution? pedestal toroidal rotation and Er changepromptly when RMP is applied at q95 resonance
H-mode pedestal v spins up and Er well narrows.
er_vtor_3d_psi_123301v2
Summary
Experience gained at DIII-D in 3D edge physicsmay be valuable for NCSX
Validation of 3D edge models
Equilibrium reconstruction
Field line integration and mapping
Fluid transport (heat, particle and momentum)
Resonant field screening (flow and pressure)
Divertor footprints
MHD stability (peeling-ballooning, forced reconnection,etc.)
Availability of experimental data in high powerdischarges
Developing 3D diagnostic capabilities
Developing 3D boundary control systems andtechnology
N = 3 perturbations induce edge stochastic layer whichdestroys axisymmetric flux surfaces
escturn_psi_hot_123301_2170_efallc_000
Color = # toroidal transits for escape (red=201 max, black<10)
Caveat:  no plasma response in this model
OSP_pcol
Detailed OSP footprint can be compared to strikepoint sweep of Langmuir probe array
E3D heat flux simulation
E3D heat flux qualitatively matches measured fluxes
Quantitative agreement will require …?
LPA Jsat at DIII-D=180o
125912 3200-3800 ms
mpi-nav_al_r1_c1
q95=3.55
Due to drifts?
E3D simulations show that the tangle also efficientlyguides heat flux  to the divertor targets
mpi-nav_al_r1_c1
tt_cyl_invman_both
tt_cyl_invman_zoom_both
Private flux region still exists due to short divertor connection length
The field lines cannot sample the lower branches of the tangle
As RMP , predicted tangle structure grows & heats122342 at 4650 ms BC’s: Te= 1.6 keV, Ti= 2.6 keV at n = 77%
mpi-nav_al_r1_c1
tt_cfz_te1
tt_cfz_te1
tt_cf_te1
tt_cf_te1
tt_cfz_te1
Te (eV):50    100             150     200
I-coil (kA):         0 (2D)              1                     2           3
As RMP  predicted edge temperature cools122342 at 4650 ms BC’s: Te= 1.6 keV,  Ti= 2.6 keV at n = 77%
Constant temperature BC’s
Edge stochastic layer cools relative to pedestal
remains hot compared to SOL
mpi-nav_al_r1_c1
iscan-te-ai
iscan-ti-ai
Te
Ti
Escaping field lines are trapped by the invariantmanifolds which exit the X-point
escturns_rev
escturn_for
Backward
Escape
Upper
“Stable”
manifold
Forward
escape
Upper
“Unstable”
manifold
The outline of the field line escape pattern traces out the surfaces of theinvariant manifold
The homoclinic tangle encodes the structure of chaos
123301 3000ms
Color = field line length
 red<2km
blue<200m
The tangle forms non-axisymmetric magnetic footprintswhich have been experimentally observed
Te reflects a superposition of both upper invariant manifolds
Multiple magnetic footprint stripes observed during I-coil operation
escturn_for
escturns_rev
123301: filtered D Xpt-TV
123300_2810_240parIA
123300: filtered CIII Xpt-TV
123301_2104_240perp-clean
LLNL-gold