On the mechanism of RMP-driven pedestal transport and ELM suppression in KSTAR

Abstract

A tokamak is a torus device that uses a helical magnetic field to confine a hot plasma. It has been developed to produce controlled thermonuclear fusion power. For the ignition of fusion, high-performance plasma must be sustained for sufficient time. Plasma instability can cause a strong perturbation in the plasma and worsen the plasma confinement. Therefore, it is essential to understand and control the plasma instability.

Edge Localized Modes (ELM) are rapid Magneto-hydrodynamics (MHD) events occurring at the edge region of tokamak plasmas, which can result in damages to the divertor plates. Various methods were developed to control ELM, and among them, the ELM suppression by resonant magnetic perturbation (RMP) showed promising results. Therefore, to fully suppress ELMs via RMP is of great interest to reach and sustain high-performance H-mode discharges. It was found that certain conditions must be met for the RMP-driven ELM crash suppression, so understanding its mechanism is crucial for reliable ELM control using RMP.

This thesis addresses the effect of RMP on pedestal transport and the mechanism of RMP-driven ELM suppression. They are investigated with nonlinear reduced MHD simulations on KSTAR plasmas. First, I developed a numerical method to reconstruct accurate plasma equilibrium, which is an essential component for these state-of-the-art simulations. I employed theoretical models and numerical schemes to solve obstacles in kinetic equilibrium reconstruction. Second, the effect of RMP on pedestal transport is investigated. The numerical simulation shows that RMP forms the kink-peeling structure, the stochastic layer, and neoclassical toroidal viscosity (NTV). The convective and conductive radial fluxes from these responses increase the radial transport and result in the degradation of the pedestal.

Finally, I successfully reproduce ELM suppression by RMP in agreement with experiments. One of the main conclusion of this work is that the ELM crash suppression is attributable not only to the degraded pedestal but also to direct a coupling between ELM and RMP-driven plasma response. The coupling effect 1) enhances the size of magnetic islands at the pedestal, reducing the instability source by further pedestal degradation, and 2) increases the spectral transfer between edge harmonics preventing catastrophic growth and crash of the most unstable modes. Due to these effects, ELMs are non-linearly saturated, and the peeling-ballooning mode activity persists during the suppression phase without a sharp mode crash. I discuss a condition to reinforce this coupling effect for ELM suppression.

In summary, this thesis reveals the importance of plasma response and mode coupling to explain the RMP-driven pedestal transport and ELM suppression. In particular, it improves the previous understanding of the mechanism by discovering the contribution of nonlinear mode interaction on the ELM suppression mechanism. Based on this study, new insight and approach for ELM control are expected to be developed.

플라즈마 경계 불안정성 (ELM) 은 토카막 플라즈마의 경계 페데스탈 영역에서 발생하는 급격한 MHD 불안정성으로, 토카막 내벽과 다이버터에 치명적인 손상을 입힐 수 있다. 따라서, 고성능 플라즈마 운전을 유지하고 핵융합 반응을 일으키기 위해서는 ELM을 억제하는 것이 필수적이다. 과거 실험 연구로부터 공명 자장 섭동 (RMP) 을 통해 ELM 억제가 가능하다는 것이 밝혀졌다. 그러나, RMP를 활용해 ELM을 제어하기 위해서는 특정 조건들이 반드시 충족되어야 하고, 이는 매우 좁은 작동 영역을 갖는다. 그러므로, 안정적인 ELM 제어를 위해서는 RMP-ELM 제어 메커니즘을 이해하는 것이 중요하다.

이 논문은 RMP 인가에 따른 페데스탈 영역의 플라즈마 수송 변화와 ELM 억제 메커니즘에 대한 MHD 기반 수치 연구를 다룬다. 첫째로, KSTAR 플라즈마 대상으로 비선형 MHD 시뮬레이션을 수행하는 데 필요한 고성능 플라즈마 구축 방법론을 개발하였다. 해당 평형 계산의 어려움을 해결하기 위해 이론적 모델과 여러 수치 기법들이 사용되며, 비선형 MHD 연구에 적합한 완성도 높은 플라즈마 평형이 도출되었다.

둘째로, RMP인가에 따른 MHD 기반의 페데스탈 수송 현상을 분석하였다. RMP에 의해 구동되는 뒤틀림-껍질 응답 (KPM) 및 확률적 수송 층이 발생한다. 해당 요소들로 인해 페데스탈 영역에서 대류, 전도성 및 신고전 (NTV) 플라즈마 수송을 증가하며 온도와 밀도 페데스탈의 기울기가 줄어드는 것을 설명하였다. KSTAR 실험에서 관측된 결과와의 비교를 통해 본 MHD 기반의 수송 연구 결과의 타당성을 일부분 확보하였으나, 실험 결과를 완전히 설명하기 위해서는 난류 수송과 같은 추가적인 물리 기작이 필요하다는 것이 확인되었다.

마지막으로, KSTAR 실험과 유사한 조건의 RMP 인가에 따른 ELM 억제 현상을 시뮬레이션 상에서 성공적으로 재현하였다. 이로부터 ELM 억제는 RMP에 의한 페데스탈 기울기의 감소뿐만 아니라 ELM과 RMP 간의 직접적인 상호작용에 기인하는 것을 밝혀냈다. 이때 상호작용의 효과는 1) 페데스탈 영역의 자장 섬 크기를 증가시켜 추가적인 페데스탈 기울기와 불안정성 발생 요소를 줄이고 2) ELM의 급격한 증가와 붕괴를 방지하는 불안정성 간의 에너지 이동을 증가시키는 것으로 확인되었다. 이와 같은 효과로 인해 ELM은 비선형적으로 포화 상태에 도달하게 되고 지속해서 억제될 수 있다. 추가로 본 연구는 ELM 억제를 위해 해당 RMP-ELM 간의 상호작용을 강화하는 플라즈마 조건을 논의하였다.