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Divertor plasma detachment studies in KSTAR by experiments and modelling = KSTAR 디버터 플라즈마 분리 현상 실험 및 전산모사 해석
서명 / 저자 Divertor plasma detachment studies in KSTAR by experiments and modelling = KSTAR 디버터 플라즈마 분리 현상 실험 및 전산모사 해석 / Jae-Sun Park.
저자명 Park, Jae-Sun ; 박재선
발행사항 [대전 : 한국과학기술원, 2019].
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초록정보

Plasma-surface interactions within the tokamak are inevitable. The material separated from the wall flows into the plasmas, and the plasma facing components itself acts as a source and sink of particles and heat, affecting the plasma of the entire region of the tokamak. Particularly, in the case of a tokamak having a divertor structure, significant heat and particle flow along the magnetic field strike the target surface. As long as the solid material is used as a divertor target material, the target heat flux can exceed the sustainable limit of the material. Therefore, excessive divertor heat flux control is required to ensure sustainable operation of future devices such as ITER and K-DEMO. The detached divertor operation presented as a solution to this problem is very important because they are attracted attention as future operation scenarios in ITER and K-DEMO. Despite its importance, some of the physical mechanisms for the transition to detached divertor regime still remains elusive due to the difficulty of diagnosing and complexity of the modelling. Characteristics of the divertor detachment depend on the device, as it depends on the divertor geometry, the wall material, and the magnetic configuration. It is required to figure out the key mechanism by comparing the results from various devices. In this thesis, the experiment and modelling of KSTAR plasmas were conducted under various divertor conditions to understand the characteristics of edge and divertor plasma, focusing on divertor detachment phenomena. In the 2017 KSTAR campaign, both attached and detached plasma conditions were obtained by scanning the upstream density levels through D2 gas puffs. Asymmetric detachment between inner and outer targets was observed by Langmuir probe measurements. The experimental results were qualitatively consistent with the predictions of the SOLPS-ITER modelling in which the outer (low-field side) target is detached at lower upstream densities than the inner (high-field side) target. Density scans were performed using the SOLPS-ITER code to investigate the main mechanism leading to asymmetric detachment. SOLPS-ITER code results were post-processed according to the two-point formatting method. It demonstrates that the main cause of the target particle flux roll-over, which indicates the beginning of the divertor detachment, is the volumetric loss of the momentum and power inside the flux tubes. The source and sink of the momentum and power in the balance equation are decomposed based on the physical mechanism. The main causes of momentum and power loss are interactions between plasma and neutrals (neutral atoms and molecules). The trajectory of the kinetic neutral particles calculated from the EIRENE code shows the asymmetric distribution of neutral particles between the inner and outer targets. The asymmetry of neutral particles is attributed to the specific divertor geometry of KSTAR. Correlation analysis demonstrates that deuterium molecules are primarily responsible for the rapid momentum loss where electron temperature below 5 eV. This revealed that the asymmetric distribution of recycled neutral particles due to the divertor geometry caused the loss of volumetric momentum and power asymmetrically and that the outer target detaches at lower upstream density than the inner target. In the density ramp experiments performed in the 2017 and 2018 KSTAR campaigns, the line-averaged electron density increased monotonically during discharges. Rapid transition of divertor conditions was found within tens of milliseconds. The transition to the detached state occurred simultaneously on both targets and occurred regardless of the radial distance from the LCFS. As the upstream density reaches a particular level, a transition occurs. The critical upstream density appears to be independent of the modulation of the fuelling rate. A sudden transition of divertor condition means that the intermediate state between the attached and detached regimes is unstable, resulting in a bifurcation within tens of milliseconds. The mechanisms driving the intermediate state unstable are explained by various physical hypothesis, such as upward movement of the ionization front near the X-point and core penetration of the fuel atom and sputtered carbon impurity, but it still needs to be clarified further because of the limited KSTAR diagnostics. As a future study, the divertor geometry scans will be conducted to clarify the effect of divertor geometry on asymmetric detachment. The density ramp experiment of the H-mode plasmas will is planned in 2018 to investigate the bifurcation characteristics of the H-mode discharges. Once the cause of the divertor bifurcation is revealed, the key mechanism leading to a detached regime will become clear. Based on this understanding, it can contribute to specifying the operation space for the detached plasmas that are compatible with promising operation scenarios.

토카막 내에서 플라즈마-내벽 상호작용은 필연적이다. 이를 통해 내벽 물질이 플라즈마로 유입되기도 하고, 내벽 자체가 입자 및 열의 소스 및 싱크로 작용하기도 하기 때문에 토카막 플라즈마 전반에 영향을 미치게 된다. 특히 디버터 구조를 가지는 토카막의 경우, 경계 영역에서 열린 자기장을 따라 상당한 열 및 입자속이 타겟 표면에 가해지게 된다. 디버터 타겟 물질을 고체로 사용하는 경우, 물질이 견딜 수 있는 한계 이상으로 열속이 가해지게 된다. 따라서 ITER나 K-DEMO와 같이 미래의 핵융합 장치의 지속가능성을 확보하기 위해서 디버터 열속 제어는 반드시 해결되어야 할 중요한 난제로 꼽힌다. 해결 방안으로 제시되는 디버터-플라즈마 분리는 향후 ITER 및 K-DEMO에서 운전 시나리오로 주목받는 만큼 큰 중요성을 가진다. 그럼에도 불구하고 디버터-플라즈마의 분리 현상에 관련된 물리는 플라즈마 경계 영역 진단의 어려움과 모델링의 복잡함으로 인해 여전히 이해되지 않은 부분이 많다. 디버터 플라즈마 분리현상은 장치 내의 디버터 구조, 내벽 물질, 자기장 구조 등에 따라 각기 다른 특성을 나타내기 때문에 여러 장치에서의 결과를 상호 비교하여 가장 중요한 메커니즘을 밝혀낼 필요가 있다. 본 논문에서는 KSTAR 토카막의 경계 및 디버터 플라즈마의 특성을 이해하기 위하여 다양한 디버터 운전 조건에서 실험 및 모델링을 진행하였다. 2017년 KSTAR 캠페인에서 D2 가스 주입량을 달리하여 부착 및 분리 디버터 운전 조건을 달성하였다. 랑뮤어 프로브 측정으로부터 디버터 분리 현상이 양 타겟에서 비대칭적으로 일어난다는 것을 관측하였다. SOLPS-ITER 모델링에서도 외측 타겟이 먼저 분리 조건으로 전이되는 비대칭성이 실험과 같이 예측된 바 있다. 이러한 비대칭성과 디버터 분리에 가장 큰 영향을 미치는 요인을 밝혀내기 위하여 SOLPS-ITER 코드를 실험 조건에 맞추어 밀도 스캔을 하였고, 모델링 결과를 분석하였다. SOLPS-ITER 코드 결과를 후처리하여 타겟에서의 물리량을 얻는 Two-point formatting 방법을 사용하여 디버터 분리에 가장 큰 영향을 미치는 요인이 scrape-off layer 플럭스관 내에서 일어나는 운동량과 파워 손실임을 밝혀내었다. 운동량과 파워 평형에 영향을 미치는 요인들을 소스/싱크 항으로 나누어 분석한 결과 플라즈마와 중성 입자들(중수소 분자 및 원자) 간의 상호작용이 디버터 분리 현상의 가장 큰 원인임을 밝혀내었다. 디버터 영역에서 중성 입자들의 궤적과 분포를 EIRENE 코드를 통해 조사한 결과 양 타겟 간의 중성입자 밀도 분포가 매우 비대칭적이었다. 이러한 중성입자의 비대칭 분포는 KSTAR 디버터의 특이한 구조로부터 비롯되는 것으로 추정된다. 중성입자 중에서도 특히 중수소 분자는 5 eV 이하의 온도에서 급격한 운동량 손실에 가장 큰 영향을 미치는 요인임을 상관관계 분석을 통해 밝혀내었다. 이로써 디버터 구조에 기인한 recycled된 중성입자의 비대칭 분포로 인해 체적 운동량 손실이 비대칭적으로 일어났고, 이 때문에 외측 타겟이 먼저 디버터 분리 조건으로 전이됨을 밝혀내었다. 2017, 2018년에 걸쳐 진행된 KSTAR 밀도 상승 실험에서는 각 방전 중 천천히 밀도를 증가시켰다. 이 경우 밀도 스캔 실험에서는 알 수 없었던 디버터 분리 조건으로의 수 십 ms 내의 급격한 전이가 관측되었다. 이러한 전이는 양 타겟에서 LCFS와의 거리에 관계없이 전체 타겟 영역에 대해 동시에 일어난다. 특정 upstream 밀도 값에 도달하면 전이가 일어나며, 이 한계 밀도 값은 중수소 가스 주입량의 변조에는 무관하다. Upstream 밀도에 민감한 디버터 부착/분리 조건으로의 급격한 전이는 디버터 분리 전/후의 사이에 있는 상태는 불안정하여 수 십 ms의 짧은 시간 스케일 내에 분기된다는 것을 의미한다. 이 중간 상태를 불안정하게 만드는 메커니즘을 ionization front의 노심 근처로의 이동과 탄소 불순물의 노심 유입 등의 다양한 물리적 가설로 설명하였으나 KSTAR 진단의 한계로 인해 아직 명확한 이유는 밝혀지지 않았다. 후속 연구로는 중성 입자 분포의 비대칭성이 디버터 구조에 기인한다는 것을 명확하게 하기 위하여 디버터 구조 스캔을 진행할 예정이다. 또한 H-모드에서의 밀도 상승 실험을 통해 디버터 조건의 분기 특성이 H-모드에서도 같게 관측되는지 확인 할 예정이다. 디버터 분기의 원인을 명확하게 밝혀낸다면 디버터 분리 조건으로의 전이에 가장 큰 영향을 미치는 메커니즘이 보다 명확해 질 것이다. 이를 통해 디버터 분리 현상을 제어하고 실제 방전 시 운용 가능한 범위를 특정하는데 기여할 수 있을 것이다.

서지기타정보

서지기타정보
청구기호 {DPH 19010
형태사항 xvii, 213 p. : 삽도 ; 30 cm
언어 영어
일반주기 저자명의 한글표기 : 박재선
지도교수의 영문표기 : Kyoung Wook Min
지도교수의 한글표기 : 민경욱
학위논문 학위논문(박사) - 한국과학기술원 : 물리학과,
서지주기 References : p. 188-203
주제 KSTAR
scrape-off layer
divertor
SOLPS simulation
divertor detachment
divertor condition bifurcation
divertor asymmetry
KSTAR
scrape-off layer
디버터
SOLPS 전산모사
디버터 분리 현상
디버터 조건 분기
디버터 분리 비대칭성
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