To study momentum transport in the diverted tokamak plasma, XGC1 gyrokinetic simulation is performed. XGC1 is a massive parallel computing PIC code and contains self-consistent electric field, neutral particle physics and nonlinear collision which are important for the edge simulation near separatrix. Several basic verification tests are performed for reliable transport simulation result. These tests include Rosenbluth-Hinton residual potential, GAM damping rate, neoclassical poloidal flow and neoclassical heat flux. To investigate ion orbit loss effect on momentum transport near separatrix, ion orbit loss simulation is performed in single null magnetic geometries. Strong co-Ip U_{||} is observed at outboard midplane and counter-I_p flow is shown at inboard midplane. The peak U_{||} magnitude shows a dependence on the magnetic geometry property such as the major radius of X point. With negative E_r well near separtrix, the width of co-I_p flow structure decreases, while the flux surface averaged U_{||} increases slightly. For more comprehensive understanding of momentum transport, XGC1 simulation is performed with nonlinear collision, neutral particle physics and self-consistent (m,n)=(0,0) mode electric field. A strong co-I_p U_{||} flow structure, which is similar to the experimental observation, is shown at outboard midplane, while counter-I_p U_{||} flow structure exists at inboard midplane. This in-out poloidal asymmetric structure is similar to the ion orbit loss result but there is a quantitative difference in the magnitude and layer width. The equilibrium flow analysis shows that PS (Pfirsch-Sch"ulter) flow accounts for the significant part of the flow near the separatrix. Since PS flow has a small value when the flux surface average is taken, the flux surface averaged flow is important in terms of net momentum transport. The surface averaged flow from simulation result has a co-I_p direction, which means that the net co-I_p momentum is transported from SOL to main plasma by neoclassical mechanism such as ion orbit loss. To study the role of turbulence on momentum transport, XGC1 simulation with ITG is performed. In addition to the flow structure observed in the neoclassical simulation, co-I_p U_{||} at the core region is developed in time. Since this core spin-up is not observed in the neoclassical simulation, we can see that ITG turbulence is responsible for this momentum transport from edge to core. When the total momentum flux and Reynolds stress are compared to each other, they show similar magnitude at ψ_N<0.88, while Reynolds stress is smaller than total flux at the outer region. A significant correlation between momentum flux and heat flux is observed at ψ_N<0.96 where ITG turbulence is strong. The correlation between momentum and conventional k_{||} symmetry breakers, which are E_r shear and intensity shear, also shows similar radial profile. These correlation profiles indicate that ITG turbulence has a strong effect on momentum transport at ψ_N<0.96. Since the difference between total flux and Reynolds stress at 0.88<ψ_N<0.96 can’t be explained by the neoclassical simulation result, we can conclude that the momentum transport at the edge region is a result of the nonlinear interaction between neoclassical and turbulent particle motions. More complete gyrokinetic simulations including kinetic electrons will be studied in the future.
토카막 플라즈마의 성공적인 운전을 위해서는 toroidal 방향의 회전이 매우 중요하다. Toroidal 방향의 회전은 토카막 내에서 RWM (Resistive Wall Mode) 와 같은 MHD instability를 안정화시키며 ITB (Internal Transport Barrier) 와 같은 수송 장벽 형성에 중요한 요소이기 때문이다. 따라서 차세대 토카막인 ITER 에서도 toroidal 방향 회전이 충분히 확보되어야만 할 것이라 예측된다. 그러나 ITER 플라즈마는 총 질량이 크기 때문에 외부에서 걸어주는 torque 만으로는 충분한 회전을 얻을 수가 없다. 다행스럽게도 현존하는 여러 토카막에서 외부 torque 공급 없이 자발적으로 회전이 생겨나는 현상이 관측되었다. 이러한 현상을 intrinsic rotation 이라는 이름으로 부르며 이 현상을 이용한다면 향후 ITER에서도 충분한 양의 회전을 얻을 수 있으리라 기대되므로 intrinsic rotation 에 대한 정확한 물리적인 이해와 예측이 중요하다. 이러한 intrinsic rotation 현상을 연구하기 위해 디버터가 있는 토카막 구조에서 gyrokinetic simulation을 수행하였다.
본 연구는 DIII-D에서 나온 H-mode 실험 shot을 기준으로 수행되었고 toroidal flow에 관련해 실험에서 관측된 사항 및 simulation 분석 결과는 크게 다음의 2가지로 요약가능하다.
(1) 실험에서 L-H transition이 일어난 직후에 edge 영역의 outboard 플라즈마에서 co-current 방향의 toroidal flow peak가 관측되었고 이 peak의 정체에 대한 의문점들이 있었다. 본 연구에서는 XGC1 simulation을 통해 이 peak의 정체가 Pfirsch-Sch"ulter flow라는 것을 보였다.
(2) 실험에서 시간이 흐름에 따라 core 영역의 flow는 점점 co-current 방향으로 커지는 모습을 보였고 이는 플라즈마 바깥쪽에서 안쪽으로 운동량 수송이 있었다는 것을 의미한다. 기존의 많은 이론들은 이러한 운동량 수송을 turbulence에 의한 Reynolds stress로 설명해 왔었다. 그러나 실험에서 측정된 separatrix 영역 Reynolds stress 값은 매우 작았기 때문에 이러한 운동량 수송의 정체에 대한 의문점들이 있었다. 본 연구를 통해 edge 영역에서는 Reynolds stress 뿐만 아니라 neoclassical physics와 turbulence의 nonlinear interaction이 중요하며 이러한 mechanism이 토카막 안쪽으로 운동량을 수송하게 된다는 점이 밝혀졌다.
본 연구를 통해 디버터가 있는 토카막에서의 toroidal flow structure 및 운동량 수송 물리에 대한 이해를 증진 시키게 되었다. 실험과 비교하였을 때 20% 내외에서 부합하는 결과를 얻었으며 edge 영역에서 neoclassical-turbulence 상호작용이 운동량 수송에 있어 중요하다는 것을 밝혀 내었다.
