Jun Young Kim a , Tongnyeol Rhee b , Junghee Kim a,b , S. W. Yoon b , - - PowerPoint PPT Presentation

KSTAR conference Feb. 24 - 26, Jung-seon, Republic of Korea

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Jun Young Kima, Tongnyeol Rheeb, Junghee Kima,b, S. W. Yoonb,

• K. Ogawac, and M. Isobec

aUniversity of Science and Technology, Daejeon, Korea bNational Fusion Research Institute, Daejeon, Korea cNational Institute for Fusion Science, Toki-shi, Japan

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Abstract ¡

Conventional Lorentz orbit (LORBIT) code calculates the full orbits of the c harged particles in two-dimensional axisymmetric field [1]. To deal with the effect of axisymmetry breaking by resonant magnetic perturbation (RMP) o r low-n MHD modes on the fast-ion confinement in KSTAR, the LORBIT co de has been modified with the routine for calculating three-dimensional per turbed vacuum magnetic field by RMP coil using the Biot-Savart’s law. In a ddition, operators for collisions and particle pitch-angle scattering have bee n added to compute the loss fraction of the injected beam ions [2]. The mo dified LORBIT code is used to study the fast-ion behaviors in a three dimen sional field and also capable to calculate the localized fast-ion loss on the t hree-dimensional KSTAR vacuum vessel geometry. Fast-ion orbit simulatio n results from the conventional and modified LORBIT codes under the KST AR RMP experimental conditions are presented. [1] M. Isobe et al., J. Plasma Fusion Res. SERIES, Vol. 8, 330 (2009) [2] G. J. Kramer et al., Plasma Phys. Control. Fusion 55 (2013) 025013

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Introduc.on ¡

Upper ¡and ¡Lower ¡ Passive ¡plates

Pitch ¡ angle

Probe ¡posi.on ¡R=2.235m

Energy: ¡ ¡90keV ¡ BT ¡= ¡2T

Pitch-­‑angle: ¡15° ¡– ¡80°

Figure ¡courtesy ¡of ¡M. ¡Garcia-­‑Munoz

Energy: ¡30 ¡– ¡1000 ¡keV ¡(D+)

§ Externally ¡applied ¡edge ¡magne.c ¡pe rturba.on ¡è è ¡Mi.ga.on ¡or ¡Suppress ion ¡of ¡the ¡ELMs, ¡resul.ng ¡in ¡reduc.o n ¡of ¡the ¡thermal ¡load. ¡But, ¡ § Edge ¡magne.c ¡perturba.on ¡could ¡e nhance ¡the ¡fast ¡ion ¡loss ¡at ¡the ¡localiz ed ¡posi.ons. ¡ § Local ¡enhancement ¡of ¡the ¡fast ¡ion ¡lo ss ¡due ¡to ¡non-­‑axisymmetric ¡perturb a.on ¡should ¡be ¡analyzed ¡and ¡contro

• lled. ¡

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C-­‑port FILD-­‑1 FILD-­‑2: ¡planned ¡(2014)

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Cut-­‑out ¡& ¡Fit ¡to ¡t he ¡shape ¡of ¡the ¡pl asma ¡boundary

Plasma

Protec.on ¡c

• ver

FILD ¡head

CCD ¡ ¡ ¡ ¡Ca m Telephoto ¡Lens

Beam ¡Spli^ er

16ch ¡PMT ¡array ¡(H8711)

Connec.on ¡to ¡the ¡fiber

• ­‑bundle

16ch ¡fiber-­‑bundle ¡ (~10m)

• 2. ¡Fast ¡measurement ¡system ¡(16 ¡ch, ¡1 ¡MHz ¡sampling) ¡– ¡fast ¡MHD ¡(AE, ¡ELM, ¡etc) ¡correla.on ¡

The ¡region ¡of ¡observa.on ¡on ¡the ¡scin .llator, ¡corresponding ¡to ¡the ¡PMT ¡ch annels

• 1. ¡FILD ¡head ¡design ¡(significant ¡reduc.on ¡of ¡heat-­‑load)

Fast ¡ion ¡loss ¡detector ¡(FILD) ¡in ¡KSTAR ¡

FILD ¡head ¡inside ¡the ¡vessel

Scin.llator

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• 3
• 2
• 1

1 2 3

• 3
• 2
• 1

1 2 3

• 0.5

0.5 1

• Y. ¡M. ¡Jeon, ¡IAEA ¡FEC ¡2012, ¡EX/3-­‑3

§ All ¡internal ¡coils ¡à à ¡Effec.vely ¡coupled ¡to ¡plasmas ¡ § n=1 ¡or ¡n=2 ¡perturba.ons ¡applicable ¡ § Three ¡rows ¡of ¡RMP/FEC ¡coils ¡can ¡provide ¡various ¡poloidal ¡magne.c ¡spectra. ¡

RMP ¡coil ¡configura.on ¡in ¡KSTAR ¡

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Fast ¡ion ¡loss ¡associated ¡with ¡3-­‑D ¡magne+c ¡

perturba+on ¡(resonant, ¡n=1, ¡+90°, ¡locking) ¡

Shot# ¡9093, ¡Ip ¡= ¡0.5 ¡MA, ¡ BT ¡= ¡1.8 ¡T, ¡ Outward ¡Br ¡direc+on, ¡ Locking ¡aker ¡3.5 ¡sec

Huge ¡amount ¡of ¡fast-­‑ion ¡loss, ¡ ¡at ¡least ¡ 1 ¡order ¡of ¡magnitude ¡higher!

② ① ③ ① ② ③

+

• +

+ +

• +

+

• pre-RMP

initial phase

• f RMP

MODE LOCKING!

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• Calculate externally perturbed field using vacuum approximation
• Including collision operators [2]

– Collision operator by Boozer – Collision rate – Pitch-angle scattering rate – Critical velocity

Modifica.on ¡of ¡Lorentz ¡Orbit ¡code ¡

∇p2D ≈ ! j2D × ! B2D + ! B3D

( )

Cf = vd∂λ(1− λ 2)∂λ f − ν v2 ∂v(v3 + vc

3) f

v = v , λ = v|| / v

ν = neZeffe2q2

f lnΛ

4πε 2mimfv3

c

[2] G. J. Kramer et al., Plasma Phys. Control. Fusion 55 (2013) 025013

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no ¡RMP C-­‑port K-­‑port

FILD ¡ probe

Ø m=1 ¡magne.c ¡islands ¡around ¡at ¡ρpol~0.2 ¡with ¡sawtooth ¡crashes ¡ Ø m=2 ¡islands ¡around ¡ρpol~0.75 ¡due ¡to ¡the ¡penetra.on ¡of ¡perturbed ¡field ¡by ¡RMP ¡ Ø Wide ¡stochas+c ¡field ¡region ¡at ¡the ¡plasma ¡edge ¡

[3] Becoulet M. et al, “Physics of penetration of resonant magnetic perturbations used for Ty pe I edge localized modes suppression in tokamaks”, Nucl. Fusion 49 085011(2009)

ASSUMPTION: ¡ ¡ ¡ Shielding ¡effect ¡on ¡RMP ¡is ¡negligible ¡when ¡the ¡toroidal ¡plasma ¡rota1on ¡speed ¡goes ¡to ¡zero ¡[3]

K-­‑port

3-­‑D ¡Lorentz-­‑Orbit ¡code ¡calcula+on ¡(vacuum)

Magne.c ¡topology ¡at ¡K-­‑port

Magne.c ¡equilibrium ¡with ¡perturbed ¡field ¡

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Lorentz-­‑Orbit ¡code ¡calcula+on ¡(vacuum, ¡toroidal-­‑view)

FILD ¡posi.on: ¡ C-­‑port Orbits: ¡ ¡ Slightly ¡pushed ¡in Orbits: ¡ ¡ Slightly ¡pulled ¡out Limiter ¡posi1on Shot# ¡9092, ¡near ¡t=6.0sec Br ¡direc1on ¡ near ¡K-­‑port

Effect ¡on ¡fast ¡ion ¡loss ¡orbit ¡

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• 3 classes of vessel structures

– class1: upper&lower passive plate – class2: class1 + limiters – class3: class1 + FILD probe-head

• Fast ion deposition profiles from NUBEAM

– 200,000 particle – 1ms of the orbit following time

• Pitch-angle distribution of NUBEAM profile

KSTAR ¡wall ¡geometry ¡for ¡wall ¡load ¡cal. ¡

Upper passive plate Lower passive plate Poloidal Limiters FILD Probe

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Asymmetric ¡loss ¡of ¡fast ¡ion ¡due ¡to ¡RMP ¡(preliminary) ¡ ¡

FILD probe

limiters

Ion birth positions Ion hit walls!

Pitch-angle distribution

• f lost ions

The calculation is still going on…

• Toroidally localized fast ion loss during RMP
• Loss fraction of the injected ion after 1ms is

~2.5%

• High pitch-angled ions tends to lost easily!

+

• +

+ +

• +

+

• resonant, n=1, +90°, locking

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Summary ¡

¡

§ Energe.c ¡par.cle ¡(EP) ¡loss ¡associated ¡with ¡the ¡edge ¡pe rturba.ons ¡

ü Fast ¡ion ¡loss ¡under ¡the ¡RMP: ¡ ¡Non-­‑axisymmetric, ¡Seems ¡ sensi.ve ¡to ¡the ¡Br ¡direc.on ¡ ü Full ¡3-­‑D ¡Orbit-­‑Following ¡calcula.on ¡w/ ¡plasma ¡response ¡ is ¡on-­‑going. ¡ ü Fast-­‑ion ¡loss ¡effect ¡during ¡plasma-­‑locking ¡phase ¡due ¡to ¡t he ¡RMP ¡is ¡severe. ¡ ü KSTAR ¡wall ¡heat ¡load ¡by ¡fast ¡ion ¡loss ¡being ¡inves.gated ¡ by ¡using ¡modified ¡Lorentz ¡orbit ¡code ¡

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Future ¡workscope ¡

¡

§ Survey ¡of ¡other ¡RMP ¡configura.ons ¡(different ¡phase, ¡n =2, ¡mixed ¡(n=1&2)) ¡ § Modelling ¡works: ¡ ¡3-­‑D ¡orbit ¡calcula.ons ¡(Lorentz-­‑Orbit, ¡F3D-­‑OFMC), ¡MHD ¡(plasma ¡response) ¡simula.ons ¡(M3D , ¡HINT2, ¡etc ¡… ¡) ¡ § Different ¡behaviour ¡of ¡EP ¡loss ¡rate ¡under ¡the ¡same ¡RM P ¡configura.on. ¡à à ¡Role ¡of ¡plasma ¡response ¡ § Other ¡cases ¡accompanying ¡ELM ¡suppression, ¡Mode ¡lock ing, ¡edge ¡rota+on ¡near ¡the ¡pedestal ¡top, ¡… ¡ ¡ § Installa.on ¡of ¡the ¡addi.onal ¡FILD ¡(FILD-­‑2): ¡expect ¡to ¡ge t ¡more ¡sensi.ve/consistent ¡measurement. ¡