To commercialize nuclear fusion energy, a sufficiently large number of fusion reactions
must occur. High density and high temperature plasma should be confined long enough. To
predict the performance of fusion plasma, understanding transport phenomena is essential. A
validated transport model can predict the performance of future fusion devices including ITER
and DEMO without expensive experiments. However, turbulence has been recognized as the
main cause of transport in fusion plasma. Gyrokinetics is the most advanced tool to describe
the dynamic of turbulence. Therefore, the validated gyrokinetic can predict the performance of
future fusion plasmas, and as a result, it will be useful in designing future fusion reactors. Thus,
the gyrokinetic validation study should be carried out for the commercialization of nuclear
fusion.
This thesis reports the progress in the first gyrokinetic validation study using KSTAR NBI
heated L-mode plasmas. The experimental energy transport level was compared with the
energy transport level calculated by gyrokinetic simulation. We focused on the quantitative
comparison of energy flux between experiment and simulation at r/a=0.5. Uncertainty should
be quantified for the quantitative comparison between experiment and simulation results.
Uncertainties of input parameters for gyrokinetic analysis and experimental energy flux were
quantified using profile samples and error propagation.
CGYRO was used for gyrokinetic analysis. The linear stability analysis indicated that the
most unstable mode was the trapped electron mode (TEM) at r/a=0.5 in the discharge studied
in this thesis. The energy flux level calculated by gyrokinetic simulation was predicted to be
lower than the experimental energy flux level estimated from power balance analysis. To check
whether this result is valid or not, the energy flux was calculated by changing the values of the
input parameters within their uncertainties, and it was estimated to be lower than the
experimental energy flux. However, when the unidentified Z_{eff} value and the main thermal
ion and impurity gradients were varied, and the energy flux predicted by the simulation was
significantly changed. Therefore, the Z_{eff} value and the main thermal ion and impurity
gradient are important parameters that affect the results of the gyrokinetic validation study, but
they are unknown. As a result, it could not be concluded whether the gyrokinetic simulation
well describes the experiment energy flux. However, this study confirmed that Z_{eff} profile
information is required for the gyrokinetic validation study.
핵융합 에너지의 상용화를 위해서는 고밀도, 고온의 플라즈마를 충분히 오래 가두어
에너지 생산에 필요한 만큼의 핵융합 반응을 일으킬 수 있어야 한다. 핵융합 플라즈마의
성능을 알기 위해서는 수송현상에 대한 이해가 필수적이다. 만약 검증된 수송모델이
있다면, 값이 비싼 실험 없이도 ITER 및 DEMO와 같은 미래 핵융합 장치 내 플라즈마의
성능을 예측할 수 있을 것이다. 하지만 난류가 핵융합 플라즈마 내 수송현상의
주원인으로 제시되고 있다. 자이로 동역학은 난류를 묘사하는 가장 진보한 이론 중
하나이다. 따라서 검증된 자이로 동역학은 미래 핵융합 플라즈마의 성능을 예측할 수
있으며, 결과적으로 미래 핵융합로를 설계하는 데 유용할 것이다. 그러므로, 자이로
동역학 검증연구는 핵융합 상용화를 위해서 진행되어야 하는 연구이다.
본 논문에서는 KSTAR 중성입자 빔 가열을 이용한 L-mode 플라즈마를 활용한 자이로
동역학 검증 연구의 진행 상황을 보고한다. 자이로 동역학을 통해 계산한 플라즈마 내
수송현상을 실제 실험과 비교하였다. 이번 연구에서는 r/a=0.5인 지점에서 실험과
시뮬레이션으로 예측된 에너지속의 정량적인 비교에 집중하였다. 정량적인 비교를
위해서는 불확정성을 정량화하는 작업이 선행 되어야한다. 시뮬레이션에 사용된 입력
파라미터들과 실험적 에너지속의 불확정성은 프로파일 표본들과 오차의 전파 과정을
적용하여 정량화되었다.
자이로 동역학 시뮬레이션으로는 CGYRO코드가 사용되었다. 선형 분석을 통해 이
플라즈마의 r/a=0.5인 지점에서 가장 불안정한 난류가 갇힌 전자 모드(TEM)임을
확인하였다. 비선형 자이로 동역학 시뮬레이션으로 계산한 에너지속은 실험적
에너지속보다 낮게 추정되었다. 이 결과가 유효한지 확인하기 위해 입력 파라미터들의
값들을 불확정성 범위내에서 변경하여 에너지속을 추정해 보았으며, 실험적
에너지속보다 낮게 추정되었다. 하지만 측정되지 않은 Z_{eff} 값과 이온 및 불순물
기울기를 변화시켰을 때, 시뮬레이션으로 예측한 에너지속이 민감하게 변화하였다.
이로부터 Z_{eff} 값과 이온 및 불순물 기울기는 검증연구 결과에 영향을 주는 민감한
파라미터이지만 알 수 없는 상황이므로, 자이로 동역학 시뮬레이션이 실험의 에너지속을
잘 모사하는지 결론을 내릴 수가 없다. 하지만, 자이로 동역학 검증 연구를 위해서는
Z_{eff} 프로파일 정보가 꼭 필요함을 이번 연구를 통해 확인하였다.
