연구성과
연구성과
2019년KSTAR연구센터 KSTAR의 고자장 고성능 토카막 플라즈마 형성 및 안정적 운전 연구
| 세부과제명 | KSTAR 공동실험 및 플라즈마연구사업 | |
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| 연구원 | 책임연구원 윤시우(KSTAR연구센터) | |
| 연구내용 | Mega-ampere 급 ELMy H-mode 토카막 플라즈마를 KSTAR의 가용 조건 하에서 안정적으로 구현, 관련 고성능 실험에 활용할 baseline 조건을 구축 빠른 형상 제어 및 중간 H-mode 진입 전략을 통한 전류 상승 전략의 최적화, L-H 천이 조건 유지 방식 개선 및 경계 안전인자 마진 향상 |
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| 주요성과 | 과학적 가치 KSTAR의 실험 요청이 다양해지고, ITER 의 완공이 다가옴에 따라 구성 가능한 가열 파워와 기본 컨트롤만으로 구현 가능한 Mega-Ampere 급 (Ip > 0.8MA) H-mode 플라즈마 레퍼런스의 재정립이 절실하였으며, 가능한 최대 Ip를 예측할 필요가 발생 Mega-Ampere 급 (Ip > 0.8 MA) ELMy H-mode 토카막 플라즈마를 안정적으로 구현하여 실험에 활용하기 위한 노력은 2011년도부터 진행 상술한 목표를 위해, 2019년 여름 시점에서 어느 정도 실증된 여러 제어 기술의 장단점과 융합 가능성을 검토하여 다음과 같은 전략을 도출함 플라즈마의 상하 대칭성 제어 개선, L-H 천이에 필요한 문턱(threshold) 파워 절감 이른 H-mode 천이 유도로 loop voltage 및 bootstrap 전류량 최대화, PF의 폴로이달 자속 사용량 절감 전류 상승 구간에서의 불안정성 (beta limit 혹은 q95 <3 ) 발생 가능성 최소화 높은 전류에서의 수직 불안정성 제어 강화 KSTAR 설계치 최대 토로이달 자장 (3.4-3.5T)을 사용한 경계안전인자 (q95) 최대 마진 확보 특히, 마지막에 언급한 최대 토로이달 자장 하에서의 경계안전인자 마진 확보의 경우 KSTAR 설계 성능의 완전한 입증을 위해 필수적으로서, 2005년까지의 설계 시 언급된 가열 파워량 (~28 MW) 이 확보될 경우 목표 성능 중 하나인 3.5테슬러 / 2.0 MA 가 실질적으로 가능한 것인지 예측할 수 있는 중요 척도 당해연도에 달성된 실험 조건 (중성빔 파워 = 5.1 MW, k~1.8, βρ~1.1, q95~6, Ip=1.0 MA) 하에서 경계안전인자로만 판단한다면, 이론적으로는 1.5 MA 까지도 가능한 형태의 시나리오가 구현될 수 있을 것으로 판단되었음. 상술한 전략을 토대로 KSTAR의 최대 토로이달 자장인 3.5T하에서 최초로 고전류/고성능 플라즈마 구현 실험을 사진 1과 같이 디자인해 수행함. BT를 구현 가능한 최대치인 3.5T로 설정하고 early diverting을 통하여 플라즈마 형상을 최대한 빨리 diverted shape으로 만들어 경계안전인자 마진을 최대로 높인 결과, 1.0MA 기준으로 q95~5-6정도의 값을 확보 L-H 천이 확률 향상 + 문턱 파워 감소를 통한 H-mode access 최적화 형상이 같다면 H-mode 천이가 일어날 확률은 램프업 중일 때보다는 Ip flattop에서 훨씬 높은 것이 실험적으로 알려져 있으므로, 빔 파워가 최대가 되는 시점 (t=3s) 에 700 kA Ip flattop을 두어 H-mode로 천이 후 떨어지는 loop voltage와 bootstrap current를 최대한 활용 형상은 diverted shape에 drSep을 전구간 –2cm 로 유지함으로써 lower single null (LSN) 형상으로 고정, L-H 천이에 필요한 문턱 파워를 최대한 확보. 밀도는 실험하는 시점에서 컨트롤이 불가능하여 유일하게 페데스탈을 넘어 흡수될 수 있는 divertor 하부의 gas puff (PVD)를 사용하여 밀도를 천이 가능 구간으로 올렸으며, L-H 천이로 인한 밀도 상승 및 전류 상승에 의한 NBI에 의한 fuelling 효율이 증가하므로 자연스런 밀도 상승을 유도 플라즈마 종료 시의 Ip rampdown 속도를 400 kA/s – 750 kA/s 사이로 설정함으로써 전체적인 자속 사용량 증가율 낮춤 (‘19.10.22) 주어진 0.5일분의 실험 기회를 통해, 이전의 성공 사례들 대비 비교적 높은 βρ(~1.0-1.2)와 높은 elongation (k~1.84), 높은 안전인자(q95~6)를 갖는 양질의 플라즈마를 #22566에서 RMP없이 Ip=1.0 MA에서 3초간 안정적으로 유지할 수 있었음. 기존의 성취와 비교해 볼 때, 비록 시간은 짧지만, 중성빔 5.1MW만을 사용하였으며, 안전인자 마진이 3 이상이 넘고, elongation 증가에 의해 플라즈마 부피가 약 10% 증가했으며 최초로 해당 영역에서 βρ가 1.0을 초과 사용된 폴로이달 자속으로 볼 때 기존 결과 대비 동일한 시점 (t=10초) 에서 10% 정도 감쇄된 자속 사용량 측정, 같은 파라미터 유지 시 펄스 길이를 15-20초 유지 가능성 예상 [현재 KSTAR 가용 최대 폴로이달 자속용량 = 8.2 Wb]. 기술적 가치 최대 자장을 사용함으로써 얻는 이점을 높이기 위해 magnetic control 의 형상 제어 부분을 주로 개선하였음. 빠른 형상 제어 방식 (early diverting)을 통해 일찍 플라즈마 부피를 증가시킴으로써 경계안전인자(q95)의 시작값을 최대한 높이고, 전류가 점점 증가하는 동안 q95가 모노토닉하게 감소하도록 디자인하여 전류 증가 단계에서의 안정성을 높였음. 플라즈마 제어 시스템의 형상 제어 파트 (isoflux)를 개선하여, 2개의 magnetic separatrix를 갖는 형상에서 상하 대칭성 제어를 보다 쉽게 유지할 수 있도록 제어를 바꾸고 저전류 (500-600 kA) 하에서 제어 가능성을 실증. 사진 2에서와 같이, 선행 실험을 통해 한 개의 펄스 내에서 각각 USN, LSN 그리고 DN을 구현하여 제어 속도 및 한계를 측정함. 수직 불안정성을 제어하기 위해 수직 위치 움직임의 고주파수 파트를 나타내는 신호(ZFAST)를 추가, 수직 위치를 제어할 수 있는 형상 범위를 높여 elongation > 1.8 이상의 형상 제어를 구현 가능 상술한 제어 개선은 당해연도의 커미셔닝 단계에서 주로 실증하고, 이후 여러 실험에 반복되어 사용됨으로써 안정성을 일정 수준으로 입증 인프라 가치 BT=3.5T, 중성빔 5.1MW만을 사용하여 고자장 고성능 실험에 필요한 baseline discharge를 만드는 목표를 수행함으로써 KSTAR의 설계 최대치에서의 구동이 문제가 없음을 입증하였으며, 이후 국내외 물리연구자들이 기획할 수 있는 공동 물리실험의 범위를 0.8-1.0 MA 수준의 영역으로 확장할 수 있는 여지가 생김으로써 보다 많은 물리실험을 소화할 수 있게 되었음. |
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| 기대효과 | 기술적 측면 KSTAR의 설계치 최대 자장 (3.5T @ R=1.8m) 하에서 중성입자 빔만을 사용하여 1.0 MA 급의 H-mode 플라즈마를 구현함으로써, 유사 파라미터를 활용해야 하는 여러 국내외 실험, 이를 테면 고성능 시나리오 개발, RMP를 이용한 ELM 억제 실험 및 해외 유사 장치와의 연계 실험 등에 적극 활용할 수 있게 될 것으로 기대됨. 경계안전인자 마진의 확보로 인해 고자장에서의 실험이 보다 안전해지며, 가용한 ECH, RMP, fuelling 등의 자원을 활용한 다채로운 실험이 가능할 것으로 기대 경제적 및 사회적 측면 국제 공동실험 장치로서의 KSTAR의 위상을 감안할 때, 실험 가능한 플라즈마 전류 범위의 확장은 필수적이며, ITER 및 DEMO 와 같은 실증로 연구에 보다 접근한 파라미터 도출에도 중요함. 운전 범위의 지속적 확장으로 인해 더 많은 국내외 실험 아이디어 도출, 학술 커뮤니티의 성장 및 인적 교류의 활성화에 기여할 수 있을 것으로 여겨짐. |
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| 관련이미지 |  1MA 플라즈마를 만들기 위한 2019년도 전략 요약. 1MA 성공한 #22566 실험의 전류 측정치 (blue) 전체 빔 파워 (magenta) EC2 power (green). |
 2019년도 개선된 drSep 제어를 적용하여 KSTAR 플라즈마의 상하 대칭성을 성공적으로 제어한 사례 예시 (#22349). |
담당부서
연구관리팀
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