Improvement of fusion reactions efficiency and development of optimal operational scenarios for control of plasma heat flux are major challenges for realization of fusion power plants. An impurity gas seeding is considered as one of the promising techniques to achieve this goal. An optimal scenario should be developed considering each species of impurities because the radiative cooling efficiency over electron temperature varies depending on their atomic structures. As much higher radiated power fraction is required in the next generation fusion device, high-Z impurities such as krypton and xenon are expected to be used in a wide temperature region. Therefore, in order to analyze the effects of these impurities on plasma, impurity studies must be carried out based on experiments, which requires investigation of impurity behavior with appropriate diagnostic systems.
In this work, the effects of krypton impurity gas seeding in KSTAR plasmas on divertor heat flux mitigation and ion internal transport barrier (ITB) formation are investigated. By krypton seeding, the particle flux into both divertor targets significantly reduced and also the ion ITB with high core temperature was formed. Tomographically reconstructed two-dimensional radiation distributions were measured by an infrared image video bolometer to evaluate the degree of temperature in divertor plasmas and the distribution of krypton in the core plasma. In the radiation pattern from krypton, the temperature near the divertor was significantly reduced and poloidal asymmetry was identified due to the centrifugal force effect caused by toroidal rotation. Using GKW, a gyrokinetic simulation code, the maximum linear growth rate γmax was calculated in the 0.3 < ρtor <0.7 and the results during the H-mode and ITB phase cases were compared with the E×B shearing rate, which is usually described as the mechanism of the ITB formation. Ion temperature gradient mode was found to be the most dominant microinstability in all areas where the calculation was performed and in the wide radial domain 0.3 < ρtor < 0.5, ωE×B exceeds the γmax. The location of the lowest γmax/ωE×B ratio was at ρtor = 0.48 which is near the that the highest krypton ion concentration. In addition, an argon seeding experiment was conducted to demonstrate the compatibility of impurity-seeded detachment and magnetic resonance perturbation (RMP)-driven edge localized mode (ELM) control through magnetic resonance perturbation during the H-mode. Heat and particle fluxes were successfully reduced through argon seeding during ELM control by RMPs, and the localized radiated power near the X-point was observed by the imaging bolometer, which is the sign of divertor detachment.
To investigate impurity-seeded scenario, appropriate diagnostics for monitoring behaviors of impurity ions in the plasma is essential. In this study, a processing code for automatic identification of impurity line spectra was developed and evaluated by utilizing the ITER-relevant vacuum ultraviolet (VUV) spectroscopic diagnostic system in KSTAR. For real-time analysis of a spectrum, it is necessary to reduce the noise level caused by high neutron and gamma fluxes reaching the detector such as a charge-coupled device. The code adopts a high-order derivative method that distinguishes relatively spiky noises from spectra. Tests using synthetic spectra showed successful noise reduction of approximately 90%. In addition, an in-situ wavelength calibration algorithm was developed by using representative carbon emission lines (C III and C IV) as markers that appear during the current ramp-up phase in carbon-wall devices. This algorithm is followed by a matching algorithm that enables the annotation of an ionic state of an impurity on the peaks of spectra by referencing the NIST atomic database. From the integrated processing algorithm, simulated VUV spectra were tested and the results showed successful automatic annotation of the spectral lines with noise reduction.
핵융합 반응의 효율성 향상과 플라즈마 열속의 제어를 위한 최적의 핵융합 운용 시나리오 개발은 핵융합 원자로 실현을 위한 주요 과제이며, 불순물 개스 주입은 이를 달성하기 위한 획기적인 방법 중 하나로, 전 세계적으로 활발히 연구되고 있다. 또한 각 불순물 종류별로 원자 구조에 따라 온도에 대한 복사 냉각 효율이 다르기 때문에 이를 고려한 최적화된 시나리오가 개발되어야 한다. 차세대 핵융합 장치에서는 훨씬 높은 방사 전력 비율이 요구되기 때문에 넓은 온도 영역대에서 높은 방사효율을 갖는 고전하 불순물이 사용될 것으로 예상된다. 따라서 이러한 불순물이 플라즈마에 미치는 영향을 분석하는 위해서는 불순물 연구가 실험을 바탕으로 수행되며, 이를 위한 불순물의 분포특성 분석 및 진단계 활용이 필요하다.
본 연구에서는 KSTAR 플라즈마에서 크립톤 및 알곤 불순물 개스 주입이 디버터 열속 완화와 내부수송장벽이 형성에 미치는 영향을 다룬다. 크립톤 주입 실험을 통해 디버터의 내측과 외측 타겟으로 들어오는 입자속을 상당히 감소시켰으며 이와 동시에 이온 내부수송장벽이 형성되는 결과를 얻었다. 디버터 플라즈마에서의 열속 감소 양상 및 코어 플라즈마에서의 크립톤의 분포를 추정하기위해 적외선 영상 비디오 볼로미터로부터 얻은 재구성된 2차원 플라즈마 방출광 분포를 활용하였다. 크립톤의 방출광 패턴에서 디버터 부근의 온도가 상당히 감소함을 보였고 토로이달 회전에 의한 원심력 효과로 발생하는 폴로이달 비대칭성을 확인하였다. 자이로키네틱 전산모사인 GKW를 사용하여 maximum linear growth rate γmax 를 0.3 < ρtor < 0.7 영역에서 계산을 구하였으며 일반적으로 내부수송장벽의 형성 기작으로 설명되는 E×B shearing rate ωE×B 와 내부수송장벽 형성 전후의 결과를 비교하였다. 계산이 수행된 전 영역에서 ITG 모드가 가장 우세한 미세 불안정성임이 나타났으며, 넓은 래디얼 도매인에서 ωE×B 이 γmax 보다 큰 값을 가짐을 보였다. γmax/ωE×B 값이 가장 낮은 곳은 ρtor = 0.48이고 크립톤 농도가 최대인 위치와 거의 비슷함이 확인되었다. 또한 H 모드에서 불순물 주입을 통한 디버터 디테치먼트와 자기공명섭동을 통한 edge localized mode (ELM) 제어의 양립가능성을 확인하는 실험이 수행되었다. ELM 제어 중에 알곤 주입을 통해 성공적으로 열속 및 입자속이 감소되는 결과를 얻었으며, 이미징 볼로미터 데이터에서 디테치먼트의 징후인 X-포인트로 국소화된 방사파워 분포를 관찰하였다.
이러한 불순물이 활용된 시나리오를 연구하려면 불순물 이온들이 플라즈마 내에서 어떠한 거동하는지에 대한 정확한 진단이 필수적이다. 따라서 본 연구에서는 KSTAR의 ITER 관련 진공 자외선(VUV) 분광 진단 시스템을 활용하여 불순물 라인 스펙트럼을 식별하기 위한 수치 코드가 개발 및 평가되었다. 스펙트럼의 실시간 분석을 위해서는 충전 결합 장치 검출기와 같이 검출기에 도달하는 높은 중성자 및 감마 광자 유량에 의해 야기되는 데이터의 소음 수준을 줄여야 한다. 이 코드는 스펙트럼 라인과 상대적으로 날카로운 소음을 구별하는 고차 파생 방법을 사용한다. 합성 스펙트럼을 사용한 테스트에서는 약 90%의 성공적인 소음 감소가 나타났다. 또한, 탄소벽 장치의 현재 램프업 단계에서 나타나는 대표적인 탄소배출선(C III, CIV)을 마커로 사용하여 현장 파장 보정 알고리즘을 개발하였다. 이 알고리즘은 NIST 원자 데이터베이스를 참조함으로써 라인 피크의 불순물 이온 상태에 대한 주석을 가능하게 하는 매칭 알고리즘이 뒤따른다. 후처리 알고리즘에서 합성된 VUV 스펙트럼에 대하여 테스트하였고 그 결과 노이즈 감소 후 스펙트럼 라인의 자동 식별이 성공적으로 나타났다.
