Jun Young Kim a , Tongnyeol Rhee b , Junghee Kim a,b , S. W. Yoon b , K. Ogawa c , and M. Isobe c a University of Science and Technology, Daejeon, Korea b National Fusion Research Institute, Daejeon, Korea c National Institute for Fusion Science, Toki-shi, Japan KSTAR conference Feb. 24 - 26, Jung-seon, Republic of Korea 1
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 KSTAR conference Feb. 24 - 26, Jung-seon, Republic of Korea 2
Introduc.on ¡ § Externally ¡applied ¡edge ¡magne.c ¡pe rturba.on ¡ è è ¡Mi.ga.on ¡or ¡Suppress Probe ¡posi.on ¡R=2.235m Upper ¡and ¡Lower ¡ Passive ¡plates Energy: ¡ ¡90keV ¡ ion ¡of ¡the ¡ELMs, ¡resul.ng ¡in ¡reduc.o B T ¡= ¡2T n ¡of ¡the ¡thermal ¡load. ¡ But, ¡ Pitch ¡ angle § 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. ¡ FILD-‑1 C-‑port FILD-‑2: ¡ planned ¡(2014) Pitch-‑angle: ¡15° ¡– ¡80° Energy: ¡30 ¡– ¡1000 ¡keV ¡(D + ) Figure ¡courtesy ¡of ¡M. ¡Garcia-‑Munoz 3 KSTAR conference Feb. 24 - 26, Jung-seon, Republic of Korea 3
Fast ¡ion ¡loss ¡detector ¡(FILD) ¡in ¡KSTAR ¡ 1. ¡FILD ¡head ¡design ¡(significant ¡reduc.on ¡of ¡heat-‑load) FILD ¡head ¡ inside ¡the ¡vessel FILD ¡head Protec.on ¡c Scin.llator over Plasma Cut-‑out ¡& ¡Fit ¡to ¡t he ¡shape ¡of ¡the ¡pl asma ¡boundary 2. ¡Fast ¡measurement ¡system ¡(16 ¡ch, ¡1 ¡MHz ¡sampling) ¡– ¡fast ¡MHD ¡(AE, ¡ELM, ¡etc) ¡correla.on ¡ 16ch ¡PMT ¡array ¡(H8711) The ¡region ¡of ¡observa.on ¡on ¡the ¡scin .llator, ¡corresponding ¡to ¡the ¡PMT ¡ch annels CCD ¡ ¡ ¡ ¡Ca m Telephoto ¡Lens Beam ¡Spli^ 16ch ¡fiber-‑bundle ¡ er (~10m) Connec.on ¡to ¡the ¡fiber -‑bundle KSTAR conference Feb. 24 - 26, Jung-seon, Republic of Korea 4
RMP ¡coil ¡configura.on ¡in ¡KSTAR ¡ 1 0.5 0 -0.5 3 2 3 1 2 0 1 0 -1 -1 -2 -2 -3 -3 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. ¡ KSTAR conference Feb. 24 - 26, Jung-seon, Republic of Korea 5
MODE LOCKING! pre-RMP of RMP initial phase Fast ¡ion ¡loss ¡ associated ¡with ¡3-‑D ¡ magne+c ¡ perturba+on ¡(resonant, ¡n=1, ¡+90°, ¡locking) ¡ Shot# ¡9093, ¡I p ¡= ¡0.5 ¡MA, ¡ + - - + B T ¡= ¡1.8 ¡T, ¡ + + - - Outward ¡B r ¡direc+on, ¡ Locking ¡aker ¡3.5 ¡sec - + + - ① ② ③ ① ② ③ Huge ¡amount ¡of ¡fast-‑ion ¡loss, ¡ ¡at ¡least ¡ 1 ¡order ¡of ¡magnitude ¡higher! KSTAR conference Feb. 24 - 26, Jung-seon, Republic of Korea 6
Modifica.on ¡of ¡Lorentz ¡Orbit ¡code ¡ • Calculate externally perturbed field using vacuum approximation ! ! ! ( ) ∇ p 2 D ≈ j 2 D × B 2 D + B 3 D • Including collision operators [2] – Collision operator by Boozer Cf = v d ∂ λ (1 − λ 2 ) ∂ λ f − ν v 2 ∂ v ( v 3 + v c 3 ) f v = v , λ = v || / v ν = n e Z eff e 2 q 2 f ln Λ – Collision rate 4 πε 2 m i m f v 3 c – Pitch-angle scattering rate – Critical velocity [2] G. J. Kramer et al ., Plasma Phys. Control. Fusion 55 (2013) 025013 KSTAR conference Feb. 24 - 26, Jung-seon, Republic of Korea 7
Magne.c ¡equilibrium ¡with ¡perturbed ¡field ¡ ASSUMPTION : ¡ ¡ ¡ Shielding ¡effect ¡on ¡RMP ¡is ¡negligible ¡when ¡the ¡toroidal ¡plasma ¡rota1on ¡speed ¡goes ¡to ¡zero ¡[3] K-‑port no ¡RMP C-‑port Magne.c ¡topology ¡at ¡K-‑port FILD ¡ probe K-‑port 3-‑D ¡Lorentz-‑Orbit ¡code ¡calcula+on ¡(vacuum) Ø m=1 ¡magne.c ¡islands ¡around ¡at ¡ρ pol ~0.2 ¡with ¡sawtooth ¡crashes ¡ Ø m=2 ¡islands ¡around ¡ρ pol ~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) KSTAR conference Feb. 24 - 26, Jung-seon, Republic of Korea 8
Effect ¡on ¡fast ¡ion ¡loss ¡orbit ¡ Lorentz-‑Orbit ¡code ¡calcula+on ¡(vacuum, ¡toroidal-‑view) Shot# ¡9092, ¡near ¡t=6.0sec B r ¡direc1on ¡ near ¡K-‑port Limiter ¡posi1on Orbits: ¡ ¡ Slightly ¡pushed ¡in FILD ¡posi.on: ¡ C-‑port Orbits: ¡ ¡ Slightly ¡pulled ¡out KSTAR conference Feb. 24 - 26, Jung-seon, Republic of Korea 9
KSTAR ¡wall ¡geometry ¡for ¡wall ¡load ¡cal. ¡ • 3 classes of vessel structures – class1: upper&lower passive plate – class2: class1 + limiters – class3: class1 + FILD probe-head Upper passive plate • Fast ion deposition profiles from NUBEAM – 200,000 particle FILD – 1ms of the orbit following time Probe • Pitch-angle distribution of NUBEAM profile Poloidal Limiters Lower passive plate KSTAR conference Feb. 24 - 26, Jung-seon, Republic of Korea 10
Asymmetric ¡loss ¡of ¡fast ¡ion ¡due ¡to ¡RMP ¡ (preliminary) ¡ ¡ resonant, n=1, +90°, locking + - - + Ion birth + + - - positions - + + - limiters Ion hit walls! FILD probe Pitch-angle distribution of lost ions • 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! The calculation is still going on … KSTAR conference Feb. 24 - 26, Jung-seon, Republic of Korea 11
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 ¡ B r ¡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 ¡ KSTAR conference Feb. 24 - 26, Jung-seon, Republic of Korea 12
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. ¡ KSTAR conference Feb. 24 - 26, Jung-seon, Republic of Korea 13
Recommend
More recommend
