Enhanced understanding of 3D-field-driven toroidal rotation on plasma stability and transport

Abstract

A small non-axisymmetric (3D) magnetic field can significantly alter the stability and confinement of tokamak plasmas. Its fundamental mechanics are often associated with electromagnetic torque due to the toroidal symmetry breaking and thus corresponding toroidal rotation, which plays an important role to affect various macro-instabilities as well as transport related to micro-instabilities. This thesis presents various investigations on the torque and rotation evolution under 3D magnetic fields applied to KSTAR tokamak plasmas, and contributions to enhanced understanding for a few major consequences

such as disruptive rotation and plasma collapse due to resonant torque referred to as locked mode (LM), and slowly evolving rotation towards new momentum balance due to non-resonant torque referred to as neoclassical toroidal viscous (NTV) transport.

LMs are observed when the resonant 3D field is strong enough to break the torque balance against viscous torque and then drive a forced reconnection on resonant surfaces. Empirical database across multiple tokamaks indicates that resonant field thresholds for LMs are almost linearly scaled with plasma density, while a much weaker density dependence appeared in KSTAR. Once a certain confinement regime is separately considered, the linear density dependence is recovered even in KSTAR, though. On the other hand, this suggests that the momentum transport, which is likely to contribute to mode-locking, would be subject to change, depending on the confinement regimes. The momentum transport in tokamak plasmas is known to be dominated by turbulent micro-instabilities. Also, it is well known that non-diffusive properties of the momentum transport can be quantitatively inferred from torque modulation experiments. However, such transient analysis must be taken more carefully than had been traditionally reported methods, in that the modulation technique is inherently accompanied with uncertainty in particle or heat transport channels. Our study explains the possible discrepancy of inferred momentum pinch term when the torque is modulated by neutral beam rather than by non-resonant 3D field, since neutral beam injection can significantly perturb ion temperature as well as beam torque. Another important accomplishment in this thesis lies in the confirmation of global acceleration of plasma rotation by 3D field due to radially drifting electrons. This observation is verified by a kinetically self-consistent magnetohydrodynamic modeling, which offers the quantitative agreement on the co-current plasma spinning in electron-dominated regime observed in the experiments.

Experimental studies in KSTAR helped us understand the 3D field effect. The plasma response can be explained by the ideal MHD, but resistivity should be considered in certain conditions, as well. The future investigation of the applicable model and its feasibility needs to be further pursued at various operating conditions

토카막 플라즈마에서는 작은 크기의 3차원 자기장도 플라즈마 안정성이나 가둠 성능성에 크게 영향을 줄 수 있다. 이러한 영향의 근본적인 메커니즘은 주로 토로이덜 방향의 대칭이 깨질 때 나타나는 전자기적 토크와 관련이 있으며 이는 플라즈마의 가둠 특성과 안정성에 영향을 미치는 토로이덜 방향 회전을 변화시키며 나타나게 된다. 이 논문은 KSTAR 토카막 플라즈마에 3차원 자기자기 인가했을 때 나타나는 다양한 토크와 플라즈마 회전 변화에 대해 연구하였으며 그 중 몇 가지 중요한 결과에 대해 다룬다. 이는 플라즈마와 공명하는 토크에 의해 발생하는 급격한 플라즈마 회전 감소 및 풀라즈마 붕괴 현상 (락모드) 과 비 공명하는 토크에 (NTV) 의해 새로운 운동량 균형에 도달하는 느린 플라즈마 회전 변화에 관한 내용이다.

락모드는 공명하는 3차원 자기장에 의한 토크가 균형을 이루던 플라즈마의 점성에 의한 토크보다 충분히 커질 때 공진 표면에서 자기 재결합을 일으킬 때에 관측된다. 다수의 토카막 장차들의 실험 결과들은 락모드발생의 임계점이 플라즈마 밀도에 선형적으로 비례한다고 보이는 반면 KSTAR 장치의 밀도 의존성은 그보다 훨씬 약한 것으로 관측되었다. 하지만 특정 수송특징을 가진 영역에 대해서는 KSTAR 에서도 밀도에 대한 선형 의존성이 다시 회복되었다. 한편으로는 락모드의 발생에 영향을 줄 수 있는 운동량 수송이 수송특징의 변화에 따라 바뀌었기 때문에 이러한 결과를 얻었다고 생각해 볼 수 있다. 이러한 토카막 플라즈마 내의 운동량 수송은 미세난류에 의해 결정된다고 알려져 있다. 또한 이러한 운동량 수송의 비확산 수송 특성은 토크 변조 실험을 통해 정량적으로 추론해 볼 수 있음이 잘 알려져 있다. 그러나 이러한 과도상태 분석 방법은 입자나 열 수송 체널에도 영향을 줄 수 있기 때문에 기존에 수행된 방법론 보다 더 주의를 기울여 수행할 필요가 있다. 본 연구는 토크가 3차원 자기장이 아니라 중성 입자 빔에 의해 변조 되었을 때에 나타나는 운동량 핀치 계수의 불일치가 중성입자 빔이 만드는 이온 온도 변화 때문이라고 설명한다. 본 논문의 또다른 중요한 결과는 3차원 자기장에 의해 반경방향으로 이동하는 전자 때문에 발생하는 플라즈마 회전의 전체적인 증가 현상을 확인한 사실이다. 이러한 관측은 상호 보완적인 MHD 전산모사를 통해 검증 되었으며, 실험에서 관측된 플라즈마 전류방향으로의 회전 증가를 정량적으로 설명할 수 있음이 확인되었다.

이러한 KSTAR 에서의 연구결과는 3차원 자기장의 효과를 이하는데 도움을 주었다. 3차원 자기장에 의한 플라즈마 반응은 이상 자기유체로도 설명 가능하나 특정 상황에서는 플라즈마의 저항또한 같이 고려해야할 필요가 있었다. 적용 가능한 플라즈마 모델과 이의 타당성은 이후 다양한 조건에서의 실험을 통해 확인되어질 예정이다.