연구성과
연구성과
2019년KSTAR연구센터 KSTAR 장치의 SPI 입사에 대한 밀도진단 개선
| 세부과제명 | KSTAR 공동실험 및 플라즈마연구사업 | |
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| 연구원 | 책임연구원 전준우, 이관철(플라즈마진단연구팀), 대학원생 이동근(KAIST) | |
| 연구내용 | 다채널 실시간 이색간섭계를 개발하여 플라즈마 밀도분포(profile) 측정 및 실시간 밀도 되먹임(feedback) 제어에 활용 1~2채널로 운영된 기존 이색간섭계를 최대 5채널, 상시 4채널로 확장함으로써 플라즈마 밀도분포를 측정. Saw-tooth, ELM 등 위치별로 다르게 발현되는 플라즈마의 불안정성이 실제 채널별로 구분되어 측정됨을 확인함. FPGA기반 완전디지털 위상비교기를 통해 플라즈마제어시스템(PCS)에 통합된 실시간 밀도측정 능력을 확보함. 이를 활용하여 실제 KSTAR 실험에서 고성능 H-mode를 포함한 실시간 밀도 되먹임제어를 성공적으로 달성 KSTAR 진공용기 내부 광학계를 업그레이드하여 전체 실험기간 동안 안정적으로 신뢰성 높은 데이터 제공 한국과학기술원(KAIST)와 공동연구를 통해 Single Crystal Dispersion Interferometer (SCDI)라는 새로운 형태의 분산 간섭계를 디자인 및 제작하고, 이를 통해 SPI로 인한 초고밀도의 급속밀도변화를 성공적으로 측정 기존의 분산 간섭계와 달리 비선형 크리스탈을 하나만 사용하여 광학계의 구성이 간편해지며 레이저 광원에서 나온 빔이 AOM 우회하지 않아 별도의 조정 없이 비선형 크리스탈에서 생성된 빔과 동일한 경로로 진행함. Shattered pellet을 주입했을 때 발생하는 급격한 밀도 변화에도 굴절의 영향을 덜 받도록 1064nm, 532nm의 파장을 이용하여 간섭계를 구성 시뮬레이션을 통해 해당 파장에서 굴절이 거의 일어나지 않는다는 것을 확인하였고, 또한 1064nm, 532nm 파장의 빔이 왕복 20m 이상 진행할 때 빔의 상태 변화를 확인 후 적절한 곡률거울을 선정하여 시스템을 구성 KSTAR 간섭계와 동일한 크기(왕복 20m 이상)로 벤치 테스트를 진행하여 성능을 검증한 후 KSTAR 주장치실에 설치 SPI 입사 조건 별 다양한 데이터를 측정 (단일입사, 이중입사, Ne 비율 변화 등) 향후 ITER에 설치될 SPI 시스템 설계를 위한 기초 정보를 제공할 예정이며, 그 외 성능 분석을 통해 추가 개선 사항을 파악하여, 2020년 연구에 활용 예정 |
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| 주요성과 | 과학적 가치 다채널 이색간섭계를 통해 플라즈마 밀도 분포 및 위치별 섭동 현상 등을 빠른 시간으로 측정함으로써 기존의 플라즈마 수송 이론 및 불안정성 현상에 대한 이론들을 확인 및 재정립할 수 있는 데이터 획득 비선형 크리스탈을 하나만 사용하는 분산 간섭계 (Single Crystal Dispersioin Interferometer : SCDI)를 세계 최초로 고안 SCDI의 경우 기존의 분산 간섭계와 달리 레이저 광원의 빔과 비선형 크리스탈에서 생성된 빔이 별도의 제어 없이 같은 경로로 플라즈마에 입사함. 현재 핵융합 플라즈마 간섭계 진단에서 일반적으로 사용하는 파장인 10-100um보다 10배 이상 짧은 1064nm와 532nm를 이용하여 간섭계를 구성하여 1021 m-2 수준의 초고밀도 플라즈마를 성공적으로 측정함. 국제 핵융합로인 ITER가 성공적으로 목적을 달성하기 위해서 최우선적으로 해결해야 하는 플라즈마 붕괴 완화 연구를 위해 KSTAR에서 수행한 SPI 실험에서 초고밀도의 급속변화를 측정 단일 SPI를 포함하여 이중(dual) SPI 실험 및 다양한 입사 조건에서 성공적으로 초고밀도를 측정 기술적 가치 진공용기 내부에서 사용할 수 있는 진동감쇄장치를 고안하여 KSTAR 실험기간 동안 개선된 플라즈마 밀도 데이터 획득 FPGA를 기반으로한 완전 디지털 위상비교회로를 KSTAR의 플라즈마 제어시스템에 연동하여 활용함으로써 실시간 진단 및 제어 기술을 확립 |
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| 기대효과 | 기술적 측면 KSTAR의 성능 고도화로 인한 고밀도 플라즈마 및 그 분포를 안정적으로 측정할 수 있는 기반 마련 다채널 이색간섭계 데이터를 실시간으로 획득함으로써 추후 플라즈마 밀도뿐만 아니라 그 분포까지 제어할 수 있는 시스템 구축 Shattered pellet injector(SPI)에 대한 효과를 이해하여 플라즈마 붕괴 완화 시스템 성능향상에 기여 ITER가 가장 크게 고민하는 플라즈마 붕괴 완화 방법을 제시하여 ITER 운전 시나리오 개발에 기여 K-DEMO 등과 같은 핵융합 발전소에 사용할 진단 시스템 기술 개발에 기여하여 성공적인 K-DEMO 운영에 활용 |
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| 관련이미지 |  이색간섭계의 밀도분포 결과의 3차원 그래픽 #23240 번째 KSTAR 실험의 밀도 분포를 시간에 따른 3차원 그래픽으로 역산 (5.0초에 펠릿 입사로 인한 밀도 증가 확인) |
 SCDI에서 측정된 SPI 실험 데이터 예시 #23600 실험의 SPI 입사 순간 (6.02초)에 대한 SCDI 측정 밀도 데이터 (위) 및 다채널 이색간섭계에서 측정된 밀도 데이터 (아래) |
 SCDI의 구성도 및 실제 사진 SCDI의 구성도(우측) 및 실제 구현된 사진(좌측) |
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