[논문 리뷰] Verification and validation of gyrokinetic and kinetic-MHD simulations for internal kink instability in DIII-D tokamak

G. Brochard, Jian Bao외 15명|arXiv (Cornell University)|2021. 09. 20.

Magnetic confinement fusion research참고 문헌 59인용 수 2

한 줄 요약

이 연구는 DIII-D 토카막 방출 #141216에서 내부 킷지 불안정성에 대한 기립키네틱(GTC) 및 킬레틱-MHD(GAM-solver, M3D-C1-K, NOVA-K, XTOR-K) 시뮬레이션의 검증과 검증을 수행한다. 열역학적 효과를 억제할 경우 모든 코드에서 성장률과 모드 구조에서 뛰어난 일치를 보이며, 실험적 불확도 범위 내에서 q=1 표면 위치를 조정한 후 시뮬레이션된 반경 방향 모드 구조는 전자 사이클로트론 방출 측정치와 일치한다.

ABSTRACT

Verification and validation of the internal kink instability in tokamak have been performed for both gyrokinetic (GTC) and kinetic-MHD codes (GAM-solver, M3D-C1-K, NOVA, XTOR-K). Using realistic magnetic geometry and plasma profiles from the same equilibrium reconstruction of the DIII-D shot #141216, these codes exhibit excellent agreement for the growth rate and mode structure of the internal kink mode when all kinetic effects are suppresed. The simulated radial mode structures agree quantitatively with the electron cyclotron emission measurement after adjusting, within the experimental uncertainty, the safety factor q=1 flux-surface location in the equilibrium reconstruction. Compressible magnetic perturbations strongly destabilize the kink, while poloidal variations of the equilibrium current density reduce the growth rate of the kink. Furthermore, kinetic effects of thermal ions are found to decrease the kink growth rate in kinetic-MHD simulations, but increase the kink growth rate in gyrokinetic simulations, due to the additional drive of the ion temperature gradient and parallel electric field. Kinetic thermal electrons are found to have negligible effects on the internal kink instability.

연구 동기 및 목표

• 실제 토카막 실험에서 전류 구동 내부 킷지 불안정성에 대한 기립키네틱 및 킬레틱-MHD 코드의 종합적인 검증과 검증(V&V)을 수행하기 위해.
• DIII-D 샷 #141216의 동일한 평형 조건을 사용하여 여러 코드 간 선형 시뮬레이션 결과를 비교하기 위해.
• 전자 사이클로트론 방출(ECE) 측정치와의 비교를 통해 시뮬레이션된 성장률과 모드 구조를 검증하기 위해.
• 압축성 자기 펌핑, 다중 폴로이드 전류 변화, 열역학적 이온 및 전자의 열역학적 효과가 킷지 불안정성에 미치는 영향을 조사하기 위해.

제안 방법

• 모든 코드에 동일한 DIII-D 방출 #141216의 평형 재구성 결과를 사용하여 일관된 자기 기하학적 구조와 플라즈마 프로파일을 확보하였다.
• 동일한 초기 조건과 모델 파rameter를 사용하여 모든 코드로 선형 전역 시뮬레이션을 수행하였다.
• 열역학적 효과를 억제한 조건에서 동일한 조건 하에 성장률과 반경 방향 모드 구조를 코드 간 비교하였다.
• 실험적 ECE 측정치와 일치시키기 위해 평형 재구성에서 q=1 플럭스 표면의 반경 위치를 조정하였다.
• 압축성 자기 펌핑, 다중 폴로이드 전류 변화, 열역학적 이온/전자 열역학적 효과 등의 물리적 효과를 체계적으로 변화시켜 불안정성 성장에 미치는 영향을 분리 분석하였다.
• 다양한 수치적 접근법과 입자 모델을 사용하는 다수의 코드를 활용: GTC(기립키네틱), GAM-solver, M3D-C1-K, NOVA-K, XTOR-K(킬레틱-MHD).

실험 결과

연구 질문

• RQ1 열역학적 효과를 억제할 경우 기립키네틱 및 킬레틱-MHD 코드가 내부 킷지 모드의 성장률과 모드 구조에서 일관된 결과를 도출하는가?
• RQ2 q=1 표면 위치를 조정한 후 시뮬레이션된 반경 방향 모드 구조는 전자 사이클로트론 방출 측정치와 어느 정도 일치하는가?
• RQ3 압축성 자기 펌핑은 내부 킷지 모드의 안정성에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ4 평형 전류 밀도의 다중 폴로이드 변화는 킷지 성장률에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ5 열역학적 이온 및 전자의 열역학적 효과가 다양한 시뮬레이션 프레임워크에서 내부 킷지 성장률에 정량적으로 어떤 영향을 미치는가?

주요 결과

• GTC, GAM-solver, M3D-C1-K, NOVA-K, XTOR-K의 다섯 코드 모두 열역학적 효과를 억제한 경우 성장률과 모드 구조에서 뛰어난 일치를 보이며 코드 일관성을 확인하였다.
• 실험적 불확도 범위 내에서 q=1 표면 위치를 조정한 후 시뮬레이션된 반경 방향 모드 구조는 전자 사이클로트론 방출 측정치와 정량적으로 일치하였다.
• 압축성 자기 펌핑은 내부 킷지 모드를 강하게 불안정하게 만들며, 분석 이론 및 이전 기립키네틱 연구 결과와 일치한다.
• 평형 전류 밀도의 다중 폴로이드 변화는 킷지 성장률을 감소시키며, 전류 프로파일 비균일성이 안정화 효과를 가짐을 시사한다.
• 열역학적 이온 효과는 킬레틱-MHD 시뮬레이션에서는 성장률을 감소시키지만, 기립키네틱 시뮬레이션에서는 이온 온도 기울기와 축방향 전기장에서 유래하는 추가적인 추진력으로 성장률을 증가시킨다.
• 열역학적 갇힌 전자는 두 시뮬레이션 프레임워크 모두에서 내부 킷지 불안정성에 거의 영향을 미치지 않는다.