[論文レビュー] Resolving ECRH deposition broadening due to edge turbulence in DIII-D by 3D full-wave simulations

Matthew Thomas, M. W. Brookman+6 more|arXiv (Cornell University)|Oct 9, 2017

Magnetic confinement fusion research参考文献 2被引用数 3

ひとこと要約

本研究では、DIII-Dにおけるエッジ乱流による電子サイクロトロン共鳴加熱（ECRH）ビームの広がりを、EMIT-3Dを用いた3次元フル波動シミュレーションにより解明した。Lモード、Hモード、ネガティブトライアングルリティティの状況において、実験データと優れた一致を示した。この手法は、波長と同等のスケールの乱流構造による散乱を捉え、従来のレイ追跡法が見逃していた要因を特定し、ITERのNTM抑制戦略に不可欠なビーム広がりのより正確な予測を可能にした。

ABSTRACT

Edge plasma density fluctuations are shown to have a significant effect on the electron cyclotron resonance heating (ECRH) beam in the DIII-D tokamak. Experimental measurements of the ECRH deposition profile have been taken in three operating scenarios: L-mode, H-mode and negative triangularity. Each scenario corresponds to distinct turbulence characteristics in the edge region through which the beam must propagate. The measured ECRH deposition profile is significantly broadened by comparison to the profile predicted by the ray tracing code TORAY-GA and has been shown to scale with the severity of edge turbulence. Conventional ray tracing does not include the effects of turbulence and therefore a 3D full-wave cold plasma finite difference time domain code EMIT-3D is presented and used for the simulations. The turbulence is generated through the Hermes model in the BOUT++ framework which takes as input the measured time averaged electron density, temperature and magnetic field profiles for the specific shot in question. The simulated turbulence is constrained to match the experimentally measured (by use of the BES and DBS systems) correlation length and normalised fluctuation levels. The predictions of the beam broadening from the simulations are found to agree very well with the experimentally-observed broadening in all cases: L-mode, H-mode and negative triangularity. Due to the large gradients within the H-mode edge, the resolution uncertainty and error in the measurement from Thomson scattering and BES diagnostics result in a spread in the simulated turbulence amplitude. In light of this a parameter scan through the range in experimental diagnostic measurement uncertainty has been conducted to explore the impact on beam broadening predictions.

研究の動機と目的

• エッジプラズマ乱流に起因するDIII-DにおけるECRH吸収プロファイルの広がりを理解・モデル化すること。これは、電流駆動効率の低下を引き起こす。
• 波長と同等のスケールの乱流構造による散乱を捉えられない従来のレイ追跡コードの限界を克服すること。
• さまざまな運転シナリオにおいて、実験データとEMIT-3Dの3次元フル波動シミュレーションを検証すること。
• Thomson散乱およびBES診断の不確実性が、Hモード領域におけるビーム広がり予測の精度に与える影響を定量化すること。
• 過去のビームトレーシングモデルが、特にITERの安全マージンを考慮する上でECRH広がりを低く見積もっているかどうかを評価すること。

提案手法

• DIII-Dの乱流エッジプラズマを対象に、3次元フル波動有限差分時間領域コードであるEMIT-3Dを用いてECRHビーム伝搬をシミュレートした。
• 密度、温度、磁場の時間平均実験プロファイルに基づき、BOUT++フレームワーク内でのHermesモデルを用いて乱流を生成した。
• BESおよびDBSシステムで測定された相関長および正規化フラクチュエーションレベルに一致するように、シミュレートされた乱流を制約した。
• Hモードにおけるビーム広がり予測への感度を評価するため、診断の不確実性範囲をパラメータスキャンした。
• 実験的測定によるコアプロファイルを用いてレイトレーサーでビームエンベロープを投影し、吸収領域の予測との整合性を高めた。
• Lモード、Hモード、ネガティブトライアングルリティティの3つのシナリオにおいて、フル波動結果を実験的ECRH吸収プロファイルとベンチマークした。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 エッジ乱流はDIII-DにおけるECRHビーム広がりにどの程度寄与しているのか。また、異なるプラズマ状態においてその寄与度はどのように変化するか。
• RQ2 3次元フル波動シミュレーションは、波長と同等のスケールの乱流構造による散乱を捉え、従来のレイ追跡コードが見逃していたビーム広がり効果を再現できるか。
• RQ3 Thomson散乱およびBES診断の不確実性は、Hモードにおけるシミュレートされたビーム広がりの精度にどのように影響するか。
• RQ4 過去のビームトレーシングモデルは、ECRH広がりをどの程度低く見積もっているのか。特に、ITERのNTM抑制戦略におけるパワー予算にどのような影響を及えるか。
• RQ5 フル波動シミュレーションは、将来の核融合装置（例：ITER）におけるビーム広がり予測の信頼性をどのように向上させられるか。

主な発見

• EMIT-3Dを用いた3次元フル波動シミュレーションは、Lモード、Hモード、ネガティブトライアングルリティティの3つのシナリオにおいて、実験的ECRH吸収広がりと優れた一致を示した。
• EMIT-3Dによる予測広がりは、実測広がりの10％以内に一致しており、残りの差異は診断の不確実性および投影手法の限界に起因するとされた。
• シミュレーションにより、波長と同等のスケールの乱流構造—従来のレイ追跡法が無視していた要因—が、特に高勾配Hモード領域においてビーム広がりに顕著に寄与することが明らかになった。
• Hモードにおける測定分解能および不確実性の影響により、広がりが10％低く予測されていた。分解能を10％に向上させ、空間分解能を2倍にすれば、この誤差を低減できる可能性がある。
• 本研究では、従来のビームトレーサーが、特に100–200％の広がりを示す状況において、ビーム広がりを低く見積もっていることが確認された。これは、ITERのNTM抑制に必要なパワー予算にとって極めて重要である。
• 波動散乱が粒子輸送を上回る状況では、フル波動シミュレーションが統計的ビームトレーシングモデルよりも、より堅牢かつ正確な予測手法であることが示された。