Impurities give detrimental effects on high-performance tokamak operations by diluting main fuel ions and causing significant radiation cooling, especially in the plasma core via line and continuum radiation. Meanwhile, well-controlled injection of gas impurities such as Ar near the divertor can help spreading out heat flux from plasma core to plasma facing components. Therefore, controlling not only intrinsic impurities such as tungsten but also gas impurities, such as argon, for the radiative mantle is an important and critical issue for International Thermonuclear Experimental Reactor (ITER) and future fusion reactors. The previous investigations by utilizing auxiliary heating such as electron cyclotron resonance heating (ECH) or ion cyclotron resonance heating (ICRH) have observed reduction in the core accumulation of impurities with enhanced transport, producing hollow impurity profiles at the plasma core. On the theoretical side, neoclassical transport theories are yet to explain many experimental results regarding impurity transport. There have been the recent progresses in exploring possible mechanisms for turbulence-driven impurity transports. Here, the dissertation provides the first measurements and analysis of argon impurity transport in Korea Superconducting Tokamak Advanced Research (KSTAR) indicating that argon transport is turbulence-driven and core accumulations can be mitigated by ECH. Experiments dedicated to impurity transport, especially in superconducting tokamaks such as KSTAR, would be timely and important for upcoming ITER operations.
Experiments were conducted in KSTAR plasmas by injecting a trace amount of Ar gas as a test particle while applying ECH to investigate the effect of ECH on impurity accumulation inside the plasma. For L-mode plasmas, 350 kW, 110 GHz ECH was applied and the heating positions were varied at r/a = 0, 0.16, 0.30, 0.59 in the vertical direction by tilting the launching mirror. The argon radiation emissivity was measured by the two array 32 channel soft X-ray array diagnostics with Ar Ross filters, and two-dimensional radial Ar emission profiles were reconstructed by tomographic reconstruction. A significant reduction in the core impurity emissivity was observed with ECH. The reduction is the largest with the on-axis heating and becomes smaller with outward heating positions. The Ar particle diffusivity and pinch velocity were deduced by the ADAS-SANCO impurity transport code. In the plasma core (r/a < 0.3), the convection changes its direction from radially inward to outward with ECH, which is consistent with the observed reduction in the Ar accumulation. Neoclassical calculation by NCLASS and linear gyrokinetic simulation by GENE have been done, demonstrating that the Ar impurity transport is anomalous and neoclassical impurity transport fails to accommodate the observed convection reversal. From the GENE calculation, parallel compression pinch by trapped electron mode (TEM) enhanced by ECH may be responsible for the reversal of the convection velocities, even though it needs further confirmation.
In addition, H-mode plasmas was heated by 170 GHz ECH with with fixed major radial position of R = 1.66 m and scanned its power from 0 to 800 kW. The emissivity of the $Ar^{16+} (3.949 \AA)$ and $Ar^{15+} (353.860 \AA)$ spectral lines were measured by the X-ray imaging crystal spectroscopy (XICS) and vacuum UV (VUV) spectrometer, respectively. The peak emissivity of $Ar^{15+}$ was reduced by ECH, an effect largest with 800 kW compared to 600 kW of ECH. The $Ar^{16+}$ emission increased with higher heating power. It was found that the inward convective velocity found in the plasma core without ECH was decreased with the ECH, while diffusion remained approximately constant resulting in a less-peaked Ar density profile. Theoretical results from the NEO code suggest that neoclassical transport is not responsible for the change in transport, while the microstability analysis using GKW suggests a dominant ion temperature gradient (ITG) mode during both ECH and non-ECH plasmas.
플라즈마와 노벽간의 상호작용 등으로 핵융합 플라즈마 내부에 필연적으로 존재하는 불순물 이온들은 플라즈마 노심에 축적되며 연료 이온을 희석시키고 방사광의 형태로 플라즈마 내부에 저장된 에너지를 지속적으로 감소시킨다. 반면 통제된 양의 불활성기체 불순물을 디버터 근처에 주입할 경우 플라즈마로부터 분출되는 고온의 열속으로부터 핵융합로의 내벽을 보호하는 역할을 하기도 한다. 즉 노벽과의 상호작용으로 발생한 탄소, 텅스텐과 같은 내벽재질 불순물뿐만 아니라, 본 연구에서 다루고자 하는 알곤과 같은 불활성 기체 불순물의 수송 및 제어 연구 역시 핵융합 상용화를 위해서는 반드시 해결해야만 하는 과제 중 하나이다. 이를 위해 본 논문에서는 KSTAR 플라즈마에 소량의 알곤 불순물 이온을 주입 후 다양한 알곤 방출광 진단계 및 전산모사를 활용하여 KSTAR 플라즈마 내부에서의 알곤 수송을 최초로 분석하였으며 다양한 조건의 전자공명가열 (electron cyclotron resonance heating) 인가를 통해 주입된 알곤의 노심 축적 현상을 제어하는 연구를 수행하였다.
먼저 L-mode 플라즈마의 경우 가열위치를 바꾸어가며 전자공명가열(110 GHz, 350 kW)을 인가하였으며 주입된 알곤의 방출광을 다중채널 연 엑스선 진단계 및 진공자외선 분광시스템으로 측정하였다. 그 결과 전자공명가열을 인가해 준 경우 상당한 크기의 알곤 방출광량 감소를 두 진단계 모두에서 측정하였으며 전자공명가열이 자기축에 가깝게 인가될 수록 그 감소 효과가 큼을 확인하였다. 측정된 알곤 방출광 데이터와 불순물 수송 전산모사 코드인 ADAS-SANCO로부터 계산된 방출광량을 비교하여 알곤 불순물 이온의 확산계수 및 대류계수를 계산하였으며 그 결과 플라즈마 노심 (r/a < 0.3)에서 확산계수가 큰 폭으로 증가할 뿐만 아니라 대류속도의 방향이 노심 안쪽에서 바깥쪽으로 변화함을 확인하였고 이는 실험적으로 측정된 방출광 감소와도 일치하는 결과이다. H-mode 플라즈마의 경우 고정된 위치 (R = 1.66 m)에 다양한 세기(0, 600, 800 kW)의 전자공명가열 (170 GHz)를 인가하여 실험을 수행하였으며 전자공명가열의 세기를 강화시킬수록 $Ar^{15+}$ 선 방출광의 경우 감소가, $Ar^{16+}$ 선 방출광의 경우 증가가 일어남을 확인하였다. SANCO 전산모사 결과 전자공명가열을 인가해 줄 경우 크게 증대하였으며 확산계수의 경우 크게 변화하지 않은 반면 대류계수의 경우 L-mode와 다르게 그 방향은 감소하지 않았으나 노심방향의 세기가 감소함을 확인하였다. 계산된 수송계수를 통해 알곤 불순물의 분포를 계산한 결과 L-mode의 경우 전자공명가열시 노심에서 공동 분포를 보인 반면 H-mode의 경우 가열이 되지 않았을 시와 비교하여 노심에서의 기울기가 감소하는 결과를 얻었으며 이는 두 경우 모두 전자공명가열을 활용하여 노심 알곤 축적현상을 완화 할 수 있음을 보여준다.
실험 및 SANCO 전산모사로부터 얻은 결과를 이론적으로 분석하기 위해 NCLASS 코드를 통하여 신고전이론 GENE 코드를 통한 난류이론이 알곤 수송에 미치는 영향을 계산하였다. H-mode의 경우 토로이달 방향 플라즈마 회전 속도효과를 고려하기 위해 관련 이론이 보강된 NEO 및 GKW코드를 통하여 해석을 수행하였다. 그 결과 L, H-mode 모두에서 KSTAR 플라즈마에 주입된 알곤 불순물의 경우 신고전이론에 의한 충돌효과 보다는 난류수송효과가 지배적임을 확인하였다. 난류이론 분석결과, 우선 L-mode의 경우 전자공명가열시 TEM (trapped electron mode) 난류가 지배적이며 그 세기가 증대되었다. 이를 통해 TEM 환경에서 노심 바깥쪽 방향의 대류속도에 기여하는 평행방향 불순물 압축 (parallel impurity compression pinch) 효과가 L-mode에서의 대류계수 방향전환의 주된 원인임을 유추할 수 있다. 반면 H-mode에서는 전자공명가열의 유무에 상관없이 ITG (ion temperature gradient) 난류가 지배적이었으며 준선형 자이로키네틱 (quasi-linear gyrokinetic) 계산을 통해 난류수송에 의한 알곤 수송계수를 도출하였다. 이 결과 대류계수 방향 전환을 통한 불순물 노심 축적 제어에 있어 제어하고자 하는 플라즈마의 배경난류가 중요함을 확인하였으며 보다 강한 파워의 전자공명가열을 자기축 방향에 근접하게 인가하여 TEM 난류를 유도함으로 H-mode에서도 노심 불순물 공동분포를 얻을 수 있는 가능성을 예측하였다.
