[논문 리뷰] Modeling of Particle Transport, Neutrals and Radiation in Magnetically-Confined Plasmas with Aurora

F. Sciortino, T. Odstrčil외 9명|arXiv (Cornell University)|2021. 06. 08.

Magnetic confinement fusion research참고 문헌 31인용 수 23

한 줄 요약

Aurora는 자기적으로 봉인된 fusion 플라즈마에서 입자 이동, 중성 입자 및 복사 현상을 모델링하기 위한 오픈소스이며 다국어 지원 시뮬레이션 패키지입니다. ADAS 및 기타 자료로부터의 원자 데이터를 사용하여 고성능 1.5D 불순물 이동 시뮬레이션을 가능하게 하며, 주요 기여로는 무거운 이온에 대한 슈퍼스테이징 근사와 ITER의 핵심 복사 전력에 대해 충돌 전환이 영향을 미치지 않는다는 검증이 포함되어 있습니다.

ABSTRACT

We present Aurora, an open-source package for particle transport, neutrals and radiation modeling in magnetic confinement fusion plasmas. Aurora's modern multi-language interface enables simulations of 1.5D impurity transport within high-performance computing frameworks, particularly for the inference of particle transport coefficients. A user-friendly Python library allows simple interaction with atomic rates from the Atomic Data and Atomic Structure database as well as other sources. This enables a range of radiation predictions, both for power balance and spectroscopic analysis. We discuss here the superstaging approximation for complex ions, as a way to group charge states and reduce computational cost, demonstrating its wide applicability within the Aurora forward model and beyond. Aurora also facilitates neutral particle analysis, both from experimental spectroscopic data and other simulation codes. Leveraging Aurora's capabilities to interface SOLPS-ITER results, we demonstrate that charge exchange is unlikely to affect the total radiated power from the ITER core during high performance operation. Finally, we describe the ImpRad module in the OMFIT framework, developed to enable experimental analysis and transport inferences on multiple devices using Aurora.

연구 동기 및 목표

• 자기융합 장치에서 불순물 이동, 복사 및 중성 입자 통합 모델링을 위한 현대적이고 오픈소스 프레임워크 개발.
• 스테이징 근사를 통해 복잡한 이온의 모델링에서 계산 비용을 감소.
• 실험 데이터로부터 이동 계수를 신속하게 추론하기 위한 고성능 메모리 기반 시뮬레이션을 가능하게 하기.
• SOLPS-ITER 및 FIDASIM와 같은 주요 융합 코드 및 실험 분석을 위한 OMFIT 프레임워크와의 상호운용성 지원.
• 표준 원자 데이터(ADAS 및 기타 자료)를 활용한 스펙트로스코픽 분석 및 복사 전력 예측 지원.

제안 방법

• Aurora는 사용자 정의 또는 유추된 이동 계수를 사용하여 전하 상태 밀도에 대한 연관된 편미분 방정식을 푸는 1.5D 전방 모델을 구현합니다.
• 자동 온라인 검색 또는 로컬 파일 입력을 통해 ADAS 데이터베이스 및 기타 자료로부터 원자 비율 계수를 통합합니다.
• 스테이징 근사는 여러 전하 상태를 슈퍼레벨로 묶어 계산 비용을 감소시키면서도 복사 및 이동 예측의 정확도를 유지합니다.
• Aurora는 ADF15(PECs), ADF04(GCR) 및 기타 원자 데이터 형식을 파싱하기 위한 파이썬 라이브러리를 제공하며, 이는 스펙트럼 복사 에너지 및 복사 전력 계산을 가능하게 합니다.
• KN1D, FIDASIM 및 SOLPS-ITER 등의 코드로부터의 중성 입자 데이터 후처리를 지원하여 충돌 전환 및 중성 비임의 분석이 가능합니다.
• OMFIT의 ImpRad 모듈은 Aurora의 물리 모델과 베이지안 추론 도구를 기반으로 하여 여러 장치에서 일관된 실험적 이동 계수 추론을 가능하게 합니다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 ITER의 마지막 폐쇄된 플럭스 표면 내에서 엣지 중성 입자와의 충돌 전환이 총 복사 전력에 어느 정도 영향을 미치는가?
• RQ2 텅스텐과 같은 무거운 이온에 대해 슈퍼스테이징 근사는 복사 및 이동 예측에서 얼마나 정확한가?
• RQ3 Aurora의 1.5D 이동 모델은 실험 데이터로부터 입자 이동 계수를 효율적으로 추론하는 데 기여하는가?
• RQ4 Aurora는 ADAS 및 기타 자료의 원자 데이터를 사용하여 실험적 스펙트로스코픽 신호를 얼마나 잘 재현하는가?
• RQ5 Aurora의 모듈식 설계와 오픈 아키텍처는 다양한 융합 시뮬레이션 및 분석 워크플로우에 얼마나 잘 통합되는가?

주요 결과

• 슈퍼스테이징 근사는 텅스텐과 같은 복잡한 이온의 모델링에서 계산 비용을 크게 감소시키면서도 복사 및 이동 예측의 정확도를 유지합니다.
• SOLPS-ITER의 Aurora 기반 후처리 결과에 따르면, 고성능 운용 중 ITER의 핵심 영역에서 엣지 중성 입자와의 충돌 전환은 총 복사 전력에 영향을 미치지 않을 가능성이 높습니다.
• Aurora는 디스크 I/O 집약적인 방법 대비 10배 이상 런타임을 단축시키는 고성능 메모리 기반 1.5D 시뮬레이션을 가능하게 하여, 특히 이동 계수 추론에 매우 유리합니다.
• OMFIT의 ImpRad 모듈은 Aurora의 물리 모델과 베이지안 추론 도구를 기반으로 하여 여러 장치에서 일관된 실험 분석 및 이동 계수 추론을 가능하게 합니다.
• Aurora는 EFIT, GACODE, SOLPS-ITER, FIDASIM 및 KN1D의 실험 데이터 및 시뮬레이션 출력과 성공적으로 인터페이스를 연결하여 교차 코드 검증 및 스펙트로스코픽 분석이 가능합니다.
• 패키지는 ADAS ADF15 및 ADF04 파일의 자동 파싱 및 보간을 지원하여 융합 관련 이온에 대한 정확한 복사 에너지 및 냉각 계수 계산이 가능합니다.