[논문 리뷰] Experimental Inference of Neutral and Impurity Transport in Alcator C-Mod Using High-Resolution X-Ray and Ultra-Violet Spectra

F. Sciortino, N. T. Howard외 11명|arXiv (Cornell University)|2021. 07. 28.

Magnetic confinement fusion research참고 문헌 121인용 수 12

한 줄 요약

이 연구는 알카토르 C-모드 플라즈마에서 중성 및 불순물 이동을 실험적으로 제약하기 위해 고해상도 X선(XICS) 및 극자외선(EUV) 분광법을 사용하는 새로운 베이지안 추론 프레임워크를 제시한다. 전체 칼슘 Kα 스펙트럼 모델링(우도선 포함)과 엣지 중성자와의 충돌 이온화를 통합함으로써, 추론된 확산 및 대류 프로파일의 정확도가 향상되었으며, 중간 반경에서 난류 이동 모델과 양호한 일치를 보였지만, 대류 예측에서의 불일치를 드러냈다.

ABSTRACT

We present experimental inferences of cross-field impurity transport coefficients for Alcator C-Mod plasmas using a novel forward model for the entire Ca K-alpha spectrum, including satellite lines within the spectral range, to compare to high-resolution X-ray Imaging Crystal Spectroscopy (XICS). These measurements are complemented by Extreme Ultra-Violet (EUV) spectroscopy that constrains transport closer to the edge. Using new atomic data sets for both XICS and EUV analysis has enabled consideration of line ratios across both spectral ranges and has increased the accuracy of inferred transport coefficients. Inclusion of charge exchange between edge thermal neutrals and impurities is shown to be extremely important in C-Mod pedestals. We obtain D atomic neutral densities from experimental D Ly-alpha measurements at the midplane and compare these to SOLPS-ITER simulations, finding good agreement. Bayesian inferences of impurity transport coefficients are presented for L-, EDA H-, and I-mode discharges, making use of the Aurora package for forward modeling and combining our spectroscopic constraints. Experimentally inferred diffusion profiles are found to match turbulent transport models at midradius within uncertainties, using both quasilinear gyro-fluid TGLF SAT-1 and nonlinear ion-scale gyrokinetic CGYRO simulations. Significant discrepancies in convection are observed in some cases, suggesting difficulties in predictions of flat or hollow impurity profiles.

연구 동기 및 목표

• 고해상도 X선 및 EUV 분광법을 활용하여 토카막스에서의 교차장 불순물 이동 계수를 실험적으로 향상시키기.
• 모든 칼슘 Kα 스펙트럼을 포함한 포괄적인 정방향 모델을 개발하여 스펙트럼 정밀도와 이동 제약 정확도를 향상시키기.
• 더 현실적인 페달리티 이동 모델링을 위해 열 중성자와 불순물 간의 충돌 이온화를 이동 추론 프레임워크에 통합하기.
• SOLPS-ITER 시뮬레이션과 기하학적 기반 시뮬레이션을 비교하여 이동 모델을 검증하기.
• 난류 이동 모델(TGLF 및 CGYRO)의 예측 능력을 실험적으로 추론된 확산 및 대류 프로파일과 비교하여 평가하기.

제안 방법

• 전체 칼슘 Kα 스펙트럼(공명선, 금지선, 상호작용선, 우도선 포함)을 측정하기 위해 고해상도 X선 이미징 크리스탈 분광법(XICS)을 사용한다.
• 원자DB 데이터베이스에서 확보한 새로운 원자 데이터 컴필레이션을 활용하여 복사 재결합, 이온화 재결합, 전자 충격 여기, 내부껍질 과정을 포함한다.
• Aurora 1.5D 패키지를 사용한 완전한 베이지안 추론 워크플로우를 적용하여 실험 데이터와 합성 스펙트럼이 일치할 때까지 확산(D) 및 대류(v)의 반경 프로파일을 반복 조정한다.
• XICS를 보완하기 위해 극자외선(EUV) 분광법을 사용하여 플라즈마 엣지 근처의 불순물 이동을 제약한다.
• SOLPS-ITER/EIRENE 시뮬레이션과 D Lyα 측정을 통해 엣지 열 중성자와 불순물 간의 충돌 이온화 효과를 통합한다.
• 추론된 이동 프로파일을 비선형(CGYRO) 및 준선형(TGLF SAT-1) 기하학적 기반 시뮬레이션과 비교하여 검증한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 알카토르 C-모드에서 실험적으로 추론된 불순물 확산 및 대류의 반경 프로파일은 난류 이동 모델 예측과 어떻게 비교되는가?
• RQ2 엣지 중성자와 불순물 간의 충돌 이온화를 포함할 경우, 이동 계수 추론 정확도는 어느 정도 향상되는가?
• RQ3 새로운 정방향 모델(우도선 포함)에서 생성된 합성 스펙트럼은 측정된 XICS 데이터를 얼마나 잘 재현하는가?
• RQ4 중간면에서의 실험적 D Lyα 측정치와 SOLPS-ITER 시뮬레이션의 마지막 폐쇄 플럭스 표면 근처 중성 밀도 예측 간의 일치도는 어떠한가?
• RQ5 추론된 대류 프로파일과 모델링된 대류 프로파일 간의 불일치는 현재의 이동 모델 예측에 대한 한계를 어떻게 드러내는가?

주요 결과

• L-모드, EDA H-모드, I-모드 플라즈마에서 불순물의 실험적 추론된 반경 확산 프로파일은 불확실성 범위 내에서 중간 반경에서 준선형 TGLF SAT-1 및 비선형 CGYRO 기하학적 기반 시뮬레이션과 양호한 일치를 보였다.
• 모델 예측과 비교해 볼 때, 추론된 대류 프로파일에 상당한 불일치가 관찰되어 평탄하거나 빈약한 불순물 밀도 프로파일을 모델링하는 데 어려움이 있음을 시사한다.
• 엣지 열 중성자와 불순물 간의 충돌 이온화를 포함하는 것이 C-모드 페달리티 영역에서의 이동 모델링을 정확하게 하기 위해 필수적임을 발견했다.
• 우도선을 포함한 전체 칼슘 Kα 스펙트럼을 위한 새로운 정방향 모델은 이전 모델 대비 스펙트럼 피팅 품질과 이동 계수 정확도를 크게 향상시켰다.
• 중간면에서의 실험적 D Lyα 측정치는 EIRENE 중성 모델을 사용한 SOLPS-ITER 시뮬레이션과 양호한 일치를 보였으며, 이는 추론 프레임워크에서 사용된 중성 밀도 예측의 타당성을 검증했다.
• XICS 및 EUV 스펙트럼 범위 전역에서 최신 원자 데이터 세트를 사용함으로써 신뢰할 수 있는 선비율 분석이 가능해졌으며, 이는 추론된 이동 계수의 신뢰성 향상에 기여했다.