[논문 리뷰] Confinement of passing and trapped runaway electrons in the simulation of an ITER current quench

K. Särkimäki, F.J. Artola외 1명|arXiv (Cornell University)|2022. 03. 17.

Magnetic confinement fusion research참고 문헌 40인용 수 19

한 줄 요약

이 연구는 ITER의 전류 감쇠 단계 동안 3차원 MHD 시뮬레이션을 사용하여 달아나는 전자( RE)의 봉인을 조사한다. JOREK 코드에서 유도된 3D MHD 시뮬레이션을 통해 불안정한 자기장에서 RE 마커를 추적함으로써, 8ms 동안의 불안정한 단계 동안 자기장에 의해 유도된 확산이 대부분의 통과 및 갇힌 RE를 탈출시키는 데 충분하다는 것을 발견하였다. 이는 유효 표면 재형성 이전에 RE 빔 형성을 완화시킬 수 있다.

ABSTRACT

Runaway electrons (REs) present a high-priority issue for ITER but little is known about the extent to which RE generation is affected by the stochastic field intrinsic to disrupting plasmas. RE generation can be modelled with reduced kinetic models and there has been recent progress in involving losses due to field stochasticity, either via a loss-time parameter or radial transport coefficients which can be estimated by tracing test electrons in 3D fields. We evaluate these terms in ITER using a recent JOREK 3D MHD simulation of plasma disruption to provide the stochastic magnetic fields where RE markers are traced with the built-in particle tracing module. While the MHD simulation modelled only the current quench phase, the case is MHD unstable and exhibits similar relaxation as would be expected during the thermal quench. Therefore, the RE simulations can be considered beginning right after the thermal quench but before the MHD relaxation is complete. The plasma is found to become fully stochastic for 8 ms and the resulting transport is sufficient to overcome RE avalanche before flux surfaces are reformed. We also study transport mechanisms for trapped REs and find those to be deconfined as well during this phase. While the results presented here are not sufficient to assess the magnitude of the formed RE beam, we show that significant RE losses could be expected to arise due to field stochasticity.

연구 동기 및 목표

• ITER의 전류 감쇠 기간 동안 자기장의 불안정성이 달아나는 전자(RE) 봉인에 미치는 영향을 평가하기 위해.
• 불안정한 확산으로 인한 RE 손실이 RE 폭발 성장에 미치는 영향을 평가하기 위해.
• 불안정 단계 동안 통과 및 갇힌 RE의 이동 메커니즘을 조사하기 위해.
• JOREK 입자 추적기에서 충돌 및 복사 반작용 연산자를 검증하고 구현하여 실제적인 RE 동역학을 모델링하기 위해.

제안 방법

• 가속도 중심 근사법을 사용한 JOREK의 궤도 추적 모듈을 통해 상대론적 RE 마커를 추적하였다.
• Braams-Karney 이론에 기반한 전체 상대론적 Fokker-Planck 충돌 연산자를 포함하여, 마찰, 에너지 확산 및 경사각 산란을 모델링하였다.
• 동기복사 손실을 모의하기 위해 복사 반작용 힘 연산자를 적용하였지만, 그 영향은 무시할 만할 정도로 미미하였다.
• ITER 전류 감쇠(사례 1)의 시간에 따라 변화하는 3차원 자기장 데이터를 JOREK MHD 시뮬레이션에서 취득하였다. 이 경우 전류 감쇠는 50ms 지속되며 수직 이동이 수반된다.
• 충돌 유무를 비교하여 반경 방향 확산 계수와 손실 timescale을 정량화하였다.
• 간직된 RE의 역학을 별도로 분석하여 세 가지 손실 메커니즘을 규명하였다: 충돌 산란, Ware 핀치, 충돌 없는 바나나 확산.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 전류 감쇠 단계 동안 자기장의 불안정성이 ITER에서 달아나는 전자 빔 형성을 억제할 수 있는가?
• RQ2 충돌 산란, Ware 핀치, 충돌 없는 바나나 확산 중에서 갇힌 달아나는 전자의 탈출에 있어 상대적 중요도는 어떠한가?
• RQ3 통과 및 갇힌 RE의 이동 timescale은 RE 폭발 성장 timescale과 비교하여 어떻게 되는가?
• RQ4 쿠론 복사 및 복사 손실이 불안정 단계에서 RE 봉인에 얼마나 영향을 미치는가?

주요 결과

• 플라즈마는 전류 감쇠 기간 동안 8ms 동안 완전히 불안정해지며, 이 기간 동안 자기장에 의한 확산이 RE 폭발 성장에 의해 초월될 수 있다.
• 통과하는 달아나는 전자는 반경 방향 확산으로 인해 불안정 단계 내에서 탈출되며, 손실 timescale은 폭발 성장 timescale과 유사하거나 더 짧다.
• 간직된 달아나는 전자는 세 가지 메커니즘을 통해 탈출된다: 충돌 산란(Ekin ≲ 200 keV), Ware 핀치(200 keV ≲ Ekin ≲ 10 MeV), 충돌 없는 바나나 확산(Ekin ≳ 10 MeV).
• 충돌 연산자는 갇힌 입자 역학에 상당한 영향을 미치지만, 복사 반작용 힘은 RE 이동에 거의 영향을 주지 않는다.
• 소수의 RE는 자기축 근처에서 생존할 수 있지만, 일반적으로 불안정 단계는 빔 형성 억제에 효과적이다.
• 시뮬레이션 결과, RE 빔의 크기는 초기 전류 감쇠 기간 동안의 손실에 매우 민감하며, 특히 유효 표면 재형성 이전까지 불안정성이 지속될 경우 더욱 그러하다.