Flux-driven full-f gyrokinetic simulations has been performed to study carbon impurity effects on ion temperature gradient (ITG) turbulence and ion thermal ltransport. Employing a gyrokinetic code XGC1 for self-consistent simulation, both main ions and impurities have been evolved self-consistently including turbulence and neoclassical physics. It has been found that carbon impurities self-organize to form an inwardly peaked density profile, which stabilizes ITG instabilities and reduces overeall fluctuations and ion thermal transport. It has also been found that stronger reductions appear in the low frequency components of the fluctuations. Along with the fluctuation change, global structures of radial electric field also change, and this results in the reduction of global avalanche like transport events in the impure plasma. Detailed properities of impurity transport have also been investigated, which revealed that both inward neoclassical pinch and outward turbulent transport are equally important in the formation of the steady state impurity profile.
In order to save computing time or to fit the simulation size into a limited computing hardware in a gyrokinetic turbulence simulation of a tokamak plasma, a toroidal wedge simulation may be utilized in which only a partial toroidal section is modeled with a periodic boundary condition in the toroidal direction. The most severe restriction in the wedge simulation is expected to be in the longest wavelength turbulence, i.e., ion temperature gradient (ITG) driven turbulence. The global full-f gyrokinetic code XGC1 is used to study how the transport and turbulence properties change in a toroidal wedge simulation compared to the full torus simulation in an ITG unstable plasma.
토카막 플라즈마에서 불순물 수송과 그 영향성을 이해하는 일은 성공적인 핵융합 발전을 위해 필수적이다. 불순물을 포함한 플라즈마는 주어진 외부 환경과 경계 조건에 대해 각 입자 종의 온도, 속도, 밀도와 같은 형상이 계속해서 변화하며 자기조직화 하는 시스템이다. 이러한 복잡계를 통합적으로 이해하기 위해서는 플라즈마의 섭동뿐만 아니라 배경 분포까지 모두 포함하여 전산모사하여야 한다. 본 연구에서는 세계 최초로 불순물을 포함한 플라즈마의 섭동과 배경 분포 모두를 전산모사하고, 자기조직화 된 상태에서의 여러 물리량들을 비교하였다. 그 결과 불순물로 인해 자기조직화된 상태에서의 플라즈마의 온도는 상승하고 열 전도율은 감소함을 보였다. 난류의 선형 증가율뿐 아니라 비선형적으로 형성된 난류의 세기 또한 불순물로 인해 감소함을 확인하였고, 이것이 불순물로 인한 감긍성능 향상의 원인으로 제시되었다. 또한, 불순물로 인해 플라즈마의 간헐적 움직임의 양상이 줄어들고, 이는 플라즈마의 전기장 구조와 밀접한 관련이 있음을 확인하였다. 또한, 불순물의 밀도는 난류 수송과 신고전 수송의 상호 크기에 따라 결정됨을 보였고, 난류가 존재할 때 신고전 수송만 존재할 때에 비해 불순물의 축적이 완화될 수 있음을 확인하였다.
플라즈마의 섭동과 배경 분포 모두를 포함하여 전산모사 하는 방식은 섭동만을 계산하는 기존의 일반적인 방식에 비해 계산 시간이 많이 소요된다. 이 방법론의 효율성을 높이기 위한 방안의 하나로 토카막의 토로이달 방향의 대칭성을 이용해 전산모사의 도메인을 줄이는 방식의 효용성에 대한 연구가 수행되었다. 본 연구를 통해서 토로이달 구조의 절반을 포함하는 것이 안전함을 확인하였고, 그 배후의 물리적 원인을 난류의 파장 스펙트럼을 통해 규명하였다. 이를 통해 더 뜨겁고 큰 토카막 플라즈마의 경우 토로이달 방향의 도메인 범위를 줄어들 수 있음을 예측하였다.
