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KSTAR 2D ECEI 시스템을 통해 관측한 ELM 현상과 시뮬레이션 결과의 비교 연구

Comparative Study of Measured Edge Localized Modes by 2D ECEI System with Simulation in KSTAR

김민우 (Minwoo Kim, 포항공과대학교)

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Edge localized modes (ELMs) are instabilities driven by steep pressure gradient and/or high current density induced by pressure gradient (i.e. bootstrap current) on the edge of the H-mode plasma. ELM-crash induces substantial heat and particle flux due to abrupt collapse of the pedestal structure. I...
Edge localized modes (ELMs) are instabilities driven by steep pressure gradient and/or high current density induced by pressure gradient (i.e. bootstrap current) on the edge of the H-mode plasma. ELM-crash induces substantial heat and particle flux due to abrupt collapse of the pedestal structure. In a scale of fusion plant, the emitted energy from ELM-crash may cause a severe damage on the machine. In order to control the ELM-crash for the steady-state long-pulse operation, it is necessary to understand fundamental physics of ELMs. In this thesis, ELM physics is studied by comparison of ELM observations by electron cyclotron emission imaging (ECEI) system with ELM simulation results. ECEI systems are innovative diagnostics based on the principle that the charged particles undergoing acceleration emit the radiation fields, here electrons are accelerated by cyclotron motion. The ECEI systems are designed to measure the local electron temperature fluctuation using a large-aperture optics and a micro-wave detection technique. However, at the edge of plasma the interpretation of ECE signals has intrinsic complexity due to rapid change of optical thickness and subsequent complications of the downshifted ECE spectra. To provide a confidence on the ECEI measurement at the edge of the plasma, the ECEI images for ELMs are compared with the synthetic images reconstructed from the results of numerical ELM simulation code, BOUT++. The observed image is successfully reproduced by the process of the synthetic diagnostics including relativistic broadening of ECE profile, relativistic downshift of emission frequency and instrumental effect of ECEI systems. Based on the confidence on edge observation of the ECEI systems, the modulation of ELM amplitude during the inter-ELM-crash period is interpreted. A simple spatial and temporal modulation of single mode structure could not explain the modulation patterns observed by two independent ECEI systems separated by 1/16th of the torus. The simple superposition model is introduced to interpret the observed modulation, which is based on the multi-mode excitation. With hypothesis that each mode has different apparent rotation frequency, the reconstructed signal is reasonably matched with the observed one. It is found that the multiple mode can coexist during the inter-ELM-crash period. Understanding of the way of ELM excitation may help to develop the precise control of ELM dynamics.
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지구 상에서 가장 손쉽게 핵융합 반응을 일으키는 방법은 입자 가열을 통한 에너지 공급으로 입자 사이의 전기적 척력을 극복하게 하는 것이다. 가열된 입자들은 플라즈마 상태가 되고, 플라즈마 상태의 입자들을 자기장을 이용해 가두기(confinement) 위해 토카막(tokamak)이 고안되었다. 높은 수준의 가둠 상태(high confinement)가 유지되는 H-mode 플라즈마에서는, 일반적으로 플라즈마 가장자리에 기울기가 큰 압력 프로파일이 발달한다. 이 압력 기울기와 압력 기울기로부터 인가된 전류 밀도는 MHD 불안정성 구조를 ...
지구 상에서 가장 손쉽게 핵융합 반응을 일으키는 방법은 입자 가열을 통한 에너지 공급으로 입자 사이의 전기적 척력을 극복하게 하는 것이다. 가열된 입자들은 플라즈마 상태가 되고, 플라즈마 상태의 입자들을 자기장을 이용해 가두기(confinement) 위해 토카막(tokamak)이 고안되었다. 높은 수준의 가둠 상태(high confinement)가 유지되는 H-mode 플라즈마에서는, 일반적으로 플라즈마 가장자리에 기울기가 큰 압력 프로파일이 발달한다. 이 압력 기울기와 압력 기울기로부터 인가된 전류 밀도는 MHD 불안정성 구조를 발달시킨다. H-mode 플라즈마 가장자리에 국한된 영역에서 발달하는 이 구조를 edge localized mode (ELM)이라 부른다. H-mode 플라즈마 실험에서 주기적인 ELM 구조의 붕괴와 그에 따른 상당량의 입자 및 열 선속(particle and heat flux)이 공통적으로 관측되었다. 핵융합 발전을 위한 장치 정도의 규모에서는 ELM 붕괴에 의해 방출되는 에너지가 장치 안정성에 심각한 문제를 야기할 수 있으므로 ELM 붕괴에 대한 제어가 필요하다. 효과적인 ELM 제어를 위해서는 ELM 현상에 대한 깊은 이해가 반드시 선행되어야 한다. 본 학위 논문에서는 ELM 현상 이해를 위해, electron cyclotron emission imaging (ECEI) 시스템을 이용한 ELM 관측 결과와 MHD 전산 모사를 통한 ELM 현상 예측 결과를 비교 연구하였다. ECEI 시스템은 전자의 싸이클로트론 운동에 의해 방출되는 복사선(electron cyclotron emission)을 측정해 국지적인 전자 온도의 상대적인 변화를 2차원 평면에 대해 나타내는 장치이다. 하지만 플라즈마 가장자리에서의 ECE 고유 특성으로 인해, 가장자리에서 발생하는 ELM 구조의 2차원 상은 왜곡될 수도 있다. ECEI 시스템을 통한 ELM 현상 관측의 신뢰성을 확보하기 위해, ELM 전산모사 코드인 BOUT++를 이용해 KSTAR H-mode에서 발생하는 ELM의 2차원 구조를 재현하고 이를 가상의 측정 장치(synthetic diagnostic)로 측정했다. 가상 측정 과정에는 실제 ECEI 관측 과정에서 반드시 고려해야 할 요소인, ECE특성과 ECEI 시스템 특성이 반영되었다. 시스템의 신호 잡음까지 고려한 가상 측정 결과와 실체 ELM 관측 결과가 일치함을 확인함으로써, ECEI 시스템의 플라즈마 가장자리 관측에 대한 신뢰성을 확보했다. 이와 더불어, ECEI 시스템의 토카막 반지름 방향 분해능(radial resolution)을 가상 측정을 통해 추정했다. 반지름 방향 분해능은 각 채널에 해당하는 ECE 프로파일의 반지름 방향 넓이(radial width of emission profile)에 의해 결정됨을 확인했다. 가상 측정 결과와의 비교 연구를 통해 확보한 ECEI 시스템의 관측 신뢰성을 바탕으로, ELM의 구조적 특성을 조사했다. 이 과정에서, ELM 구조에 의한 전자 온도의 섭동 진폭이 한 ELM 주기 안에서 시간에 따라 변화하는(modulation of ELM amplitude) 특이 현상을 발견했다. 진폭 변화는 ECEI 단일 채널의 신호에서뿐만 아니라 2차원 구조 상에서도 뚜렷하게 나타났다. 이 진폭의 변화를 단일 구조(single mode)와 다수 구조(multiple mode) 모델을 이용해 각각 해석해 보았다. 단일 구조의 시간상 또는 공간상 변조로는 관측 신호를 재현할 수 없었다. ELM 구조의 진폭 변화는 서로 다른 겉보기 회전 주파수(apparent rotation frequency)를 가진 다수 구조(multiple mode)의 중첩을 통해서만 재현되었다. 이는 ELM구조가 발달할 때, 다수의 구조가 동시에 발달함을 뜻한다. ELM 구조의 발달 양상을 확인함으로써, 더욱 정교한 ELM 제어 방식 개발에 이바지할 것으로 기대된다. 다만, KSTAR ECEI 시스템을 통해 관측한 ELM 구조 중에는 단일 구조의 특성이 보다 뚜렷하게 나타나는 경우도 있었으므로, 다수 또는 단일 구조 특성을 가진 ELM이 어떠한 플라즈마 조건에서 각각 발달하는 지에 대한 추가적인 연구가 필요하다.
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I. Introduction 1
1.1 Fusion, tokamak and H-mode operation 1
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I. Introduction 1
1.1 Fusion, tokamak and H-mode operation 1
1.2 Korea Superconducting Tokamak Advanced Research 2
1.3 Motivation: Understanding of ELM excitation 4
1.4 Thesis organization 5
II. Edge Localized Mode (ELM) 7
2.1 Overview of ELMs 7
2.1.1 Classification of ELM phenomena 9
2.1.2 Brief introduction of ELM control 9
2.2 Peeling-ballooning model 10
2.3 Diagnostics for ELM study in KSTAR 13
III. Theory of electron cyclotron emission 19
3.1 Introduction 19
3.2 Radiation fields from accelerated charged particles 19
3.3 Radiation from electron cyclotron motion 21
3.3.1 Radiation from a single electron 21
3.3.2 ECE characteristics in plasma 26
3.3.3 Transport of ECE radiation in plasma 29
3.4 ECE measurement in tokamak 31
IV. KSTAR electron cyclotron emission imaging (ECEI) system 34
4.1 Introduction of ECEI system 34
4.2 KSTAR ECEI systems 35
4.2.1 Lens systems 36
4.2.2 Antenna arrays and electronics 38
4.2.3 Operation of ECEI system 39
4.2.4 Presentation of measurements 40
4.2.5 Specification of KSTAR ECEI system 41
4.3 Observation of ELM dynamics using KSTAR ECEI systems 42
V. MHD simulation for ELM study 45
5.1 Introduction 45
5.2 BOUT++ ELM simulation 45
5.2.1 Introduction of BOUT++ ELM simulation 45
5.2.2 3-field BOUT++ ELM simulation 46
5.2.3 Initial and boundary condition for ELM simulation 51
5.2.4 Linear stability analysis for KSTAR H-mode plasma 52
5.3 Comparison between BOUT++ and M3D-C1 56
VI. Comparison of ECEI ELM observations with simulations 60
6.1 Introduction 60
6.2 ELM observation to be compared with simulations 60
6.3 Synthetic diagnostic 62
6.4 Comparison of synthetic images with observations 64
6.5 Radial resolution of ECEI systems 65
VII. Excitation of Multiple Mode Structures 68
7.1 Introduction 68
7.2 ELM observation by two ECEI systems 68
7.3 Interpretation of modulation in ELM amplitude 71
7.3.1 Single-mode interpretation 71
7.3.2 Multi-mode interpretation 73
7.4 Discussion and summary for multi-mode model 78
VIII. Summary and Conclusion 80