Characterization of Rail Gun Plasmas for Simulating Edge Localized Mode Plasma

Abstract

토카막에서는 H-mode를 유지하면서 장시간 운전하는 것이 중요하지만, 일반적으로 고온 플라즈마 경계 면에서의 큰 압력 변화 때문에 불안정한 현상인 ELM (Edge Localized mode)이 발생하게 된다. 이렇게 불안정한 ELM에 의한 다이버터 (Divertor)의 손상에 대한 연구는 핵융합로의 수명과 관련하여 해결해야 할 중요한 과제 중 하나이다. 기존의 ELM 모사 장치들은 대면 재료에 대해 큰 열 부하를 주어 그 변화를 관찰하고 재료를 선정하는 것을 목적으로 하였기 때문에 실제로 ELM 플라즈마의 특성을 잘 재현해내기보다는 고출력 에너지를 만드는 복잡한 형태의 빔 발생 장치이었다. 또한 이러한 모사 장치를 대면 재료 시험에만 제한적으로 사용하였다. 이에 본 논문에서는, ELM과 유사한 플라즈마를 만들 수 있는 간단한 형태의 레일건 (rail gun)을 설계 및 제작하고, 실험과 전산모사를 통해 ITER 크기에서의 ELM 플라즈마의 밀도, 이온 유동 속도 측면에서 유사한 플라즈마 젯 (plasma jet)에 대한 연구를 수행하여 향후 다이버터에 ELM 플라즈마가 도달하기 전에 제어하는 연구에 기여하고자 하였다. 실험을 위해 일정한 방향으로 큰 로렌츠 힘을 발생시킬 수 있는 레일건 개념을 채택하였다. ELM 플라즈마의 특성을 바탕으로 전극 길이, 방전기체의 주입 시간, 충전 전압, 프로브 측정 위치와 같은 실험 조건들을 변화시키면서, ELM과 유사한 특성을 지닌 플라즈마를 발생시킬 수 있는 조건들을 고려하여 ELM 모사에 적합한 레일건을 제작하였다. 진공 환경에서 각각의 아르곤과 수소 기체를 전극 사이의 공간에 주입하면서 높은 펄스 전압을 전극에 인가하여 레일 사이에서 방전을 일으켜 고속의 플라즈마 젯을 만들 수 있었다. 레일건에서 플라즈마 젯이 방출되기 전에 레일을 따라 이동하는 아크 플라즈마 채널에 대한 동적 특성을 확인하기 위하여 레일 전극 사이를 초고속 카메라로 진단하였다. 방전으로 발생한 플라즈마가 덩어리의 형태로 전극 사이를 가속하여 이동하는 것을 관찰할 수 있었고, 이것으로 대략적인 플라즈마 채널의 운동 속도를 추정할 수 있었다. 전류가 흐르는 레일과 전력 시스템을 하나의 간단한 회로 형태로 모델링하여 모사한 결과 플라즈마 채널의 이동 거리와 속도를 예측할 수 있었고, 이는 초고속 카메라의 진단 결과와 유의미한 수준으로 유사함을 검증할 수 있었다. 또한 전극 안 쪽 뿐만 아니라 전극에서 분출되는 순간의 플라즈마 젯의 형태를 초고속 카메라를 통해 확인할 수 있었다. 이것은 입자 거동을 전산 모사할 수 있는 OOPIC을 통해 플라즈마 젯의 이동을 모사하여 비교하였다. 이러한 방식으로 플라즈마 젯의 형태와 초기 발생과정을 확인하였고, 레일건에서의 고속 플라즈마를 측정하기 적합한 4중 랑뮤어 탐침을 제작하여 방전기체, 충전전압에 따라 플라즈마 젯을 거리별로 측정하였다. 각각의 탐침으로 수집되는 신호를 처리하기 위해 회로를 제작하여 탐침 간 전위차와 전류에 대한 데이터를 받았고, 데이터를 바탕으로 비선형 방정식을 풀어 플라즈마 젯의 전자 온도, 전자 밀도, 이온 속도를 계산하였다. ELM 플라즈마의 입자를 제어하는 측면에서는 ELM과 유사한 플라즈마 젯의 밀도, 속도, 크기가 중요한 요소이다. 진단된 아르곤 플라즈마 젯의 파라미터들은 실제 ELM 필라멘트 플라즈마 특성과 비교했을 때 온도를 제외하고는 큰 차이가 없었다. 특히 플라즈마 젯의 밀도와 드리프트 속도는 각각 m-3와 10 km/s 이상 정도로 유사한 결과를 얻었고, 차후 플라즈마 입자를 전자기장으로 제어한다는 측면에서 봤을 때 실험실 환경에서 이 플라즈마 젯을 사용할 수 있을 것이다. 또한 진단된 수소 플라즈마 젯의 파라미터들 역시 실제 ELM 필라멘트의 플라즈마 특성과 비교했을 때 전자 밀도는 유사하지만 전자 온도가 상대적으로 매우 낮았다. 그러나 레일건의 로렌츠 힘을 이용하여 플라즈마 젯의 속도를 100 km/s 이상으로 만들어낼 수 있고, 충전 전압을 조절하여 원하는 속도로 올릴 수 있는 것이 가능함을 확인하였다. 실험에서의 플라즈마 속도에 대한 운동에너지로 실제 ELM 플라즈마의 대면 물질에 대한 충격 에너지와 유사하게 만드는 것이 가능할 것이다. 이와 같이 본 논문에서는 드리프트 속도와 에너지 측면에서 ELM 플라즈마에 근접한 특성을 지닌 플라즈마를 레일건을 이용하여 만들 수 있음을 확인할 수 있었다. 그러므로 향후 본 연구의 실험 환경에서 ELM 플라즈마와 유사한 특성을 가진 플라즈마 젯을 외부 전자기장을 이용하여 표적에 대한 부하를 감소시키는 연구를 진행하는데 기초가 될 것이고, 추가적으로 간단한 장치로 대면 재료 시험을 하는데도 활용될 수 있을 것이다.

Damages of divertor targets by plasma loads during edge localized modes (ELMs) are critical issue in fusion engineering because they reduce the lifetime of the divertor target. In the case of ITER, the plasma load on divertor target during ELM is up to tens of GW/m2 and its duration is approximately a few hundred microseconds. To evaluate the damages of divertor target during ELMs experimentally, various irradiation systems using a pulsed laser or particle beams have been proposed and tested. Among them, a pulsed plasma gun is thought to be suitable to simulate the ELM situation because it can give the particle load as well as the thermal heat load on the divertor target. Therefore, in this thesis, a small-sized rail gun is adopted to simulate the heat loads during ELMs and explore how to relieve the heat loads. The rail gun is designed and fabricated in configuration of two parallel electrodes: the separation between the electrodes is 1 cm wide and the length of the rail is 30 cm long. The rail gun is installed at the top of cylindrical chamber so that the plasma jet is ejected vertically downward from the muzzle of the rail gun. The electrical current is fed to the electrodes by fast discharge of electrical energy stored in low-inductance capacitor. Initiation of discharge is accomplished by fast injection of gas at the breech of the rail using a piezoelectric valve. Argon and hydrogen are used as working gases. Diagnostics of the plasma jet ejected from the muzzle of the rail gun is carried out with a quadruple Langmuir probe and a fast camera. The fast camera is also used to diagnose the formation and motion of the plasma channel between the electrodes, revealing almost linear increase in velocity with time. Dynamic motion of the plasma channel inside the rail is confirmed by a simple equivalent circuit model for parallel-plate rail gun, showing good agreements between the numerical calculation and the experimental observation. The quadruple Langmuir probe is used to measure the spatio-temporal changes for the properties of the plasma jet during the propagation in open space by moving the probe position vertically. With appropriate data processing, it provides the information on the time-dependent plasma properties, i.e. electron density, electron temperature and ion drift velocity, which are critical in studying the ELM-like plasmas. From a lot of experiments conducted using gases with large difference in mass, i.e. hydrogen and argon, it is suggested that the plasma gun developed in this study can be separately applicable for the different topics on researches of ELM plasma: ELM control experiments for argon and heat load tests for hydrogen. The argon plasma jet with ion velocity of 10 km/s is suitable for investigation of the control of ELM-like plasma because the ion drift velocity is similar to the ELM filament velocity approaching to the divertor target. While, the ion drift velocity for the hydrogen plasma jet is much higher up to 120 km/s, so that it is possible to use for simulating the heat load impacting on the divertor surface. The ion drift velocity, or equivalently ion kinetic energy, is easily increased by increasing the length of the rail as well as the discharge current. Therefore, the plasma gun developed and characterized in the present study is expected to be well utilized for the versatile researches on the future experiments on the ELM control and mitigation.