Study on Zonal Flow: Its In-Out Asymmetry and Residual Level

Abstract

This thesis addresses the studies on the zonal flow which is symmetric in the azimuthal direction and does not induce radial transport but suppresses the turbulent transport in tokamak plasmas. I investigate the zonal flow in two ways: 1) turbulence suppression and 2) residual level in the absence of the collision and turbulence. In-out asymmetry of ion temperature gradient (ITG) turbulence and zonal flow shear driven turbulence suppression are analyzed by performing nonlinear gyrokinetic simulation using gyroKinetic Plasma Simulation Program (gKPSP). Analysis based on Ex B shear decorrelation theory well explains the simulation results and find that asymmetry of E x B flow shear makes turbulence relatively symmetric. In-out asymmetry of E x B flow shear and turbulence in KSTAR plasma is also discussed using the ECEI(Electron Cyclotron Emission Image) data. Finally, I identify the role of non-Maxwellian energetic ions on residual zonal flow via the systematic procedure using gyrokinetics and bounce-kinetics.

이 논문은 토로이달, 그리고 폴로이달 방향으로 대칭이며 토카막 바깥쪽으로의 입자 및 열 등의 수송에는 관여하지 않으나, 난류 수송을 억제시키는 zonal flow에 대한 연구에 관한 것이다. 이번 연구는 zonal flow 및 이의 shear의 특성 중 난류 억제 및 shear의 크기와 비충돌 조건에서의 토카막 기하 상에서의 잔여 값에 다룬다. 먼저 이온의 온도 기울기에 의해 유도되는 난류와 zonal flow의 shear의 토카막 안쪽과 바깥쪽의 비대칭성을 분석하고, zonal flow shear의 비대칭성이 난류의 억제에 미치는 영향에 대한 연구를 비선형 gyrokinetic 코드인 gKPSP를 활용한 시뮬레이션으로 수행하였다. E×B flow shear에 의한 난류 억제 이론에 근거한 분석 결과와 시뮬레이션 결과는 잘 일치하였으며, 비대칭적인 zonal flow의 shear가 난류를 대칭적으로 만든다는 것을 확인하였다. 이 E×B flow shear와 난류가 비대칭적인 것을 KSTAR의 ECEI data를 통해 다시 한번 확인하였고, 비대칭성의 정도를 시뮬레이션과 비교하였다. 마지막으로 Maxwellian 분포를 보이지 않는 고 에너지 입자가 zonal flow의 잔여 값에 미치는 영향에 대해 gyrokinetics와 bouncekinetics에 기반하여 체계적으로 유도하였다.