Tokamak simula+on codes at PPPL (and KAIST), and - PowerPoint PPT Presentation

¡KSTAR ¡Conference ¡2014 ¡ February ¡24-­‑26, ¡2013, ¡Mayhills ¡Resort, ¡Gangwon-­‑do, ¡Korea ¡ Tokamak ¡simula+on ¡codes ¡at ¡PPPL ¡(and ¡ KAIST), ¡and ¡collabora+on ¡with ¡KSTAR ¡ C.S. Chang Princeton Plasma Physics Laboratory Dept. Physics, KAIST SciDAC-3 Center for Edge Physics Simulation (EPSi) Funding ¡provied ¡by ¡US ¡DOE ¡and ¡Korean ¡NRF. ¡ ¡ ¡ CompuNng ¡resources ¡provided ¡on ¡Titan ¡and ¡Mira ¡through ¡the ¡INCITE ¡Award ¡(229M ¡Hrs) ¡ ¡ and ¡by ¡NERSC ¡through ¡ERCAP ¡Program ¡(55M ¡Hrs) ¡ 0 ¡

Outline ¡  Fusion codes at the PPPL Theory Department • MHD • Kinetic • Energetic particles • Transport modeling • Synthetic diagnostics  Multiscale Gyrokinetic XGC1 at PPPL-KAIST for KSTAR Research • Kinetic ion physics with MC neutral particles • New physics with kinetic electrons • Up-coming new capabilities: Impurity and Electromagnetic  Collaboration 1 ¡

You ¡will ¡see ¡the ¡list ¡of ¡36 ¡codes ¡and ¡authors ¡ at ¡PPPL-­‑theory ¡website ¡(updated ¡in ¡2012) ¡ hVp://theorycodes.pppl.wikispaces.net/Theory+Department+Codes ¡ 2 ¡

License ¡Release ¡ 3 ¡

Tokamak ¡MHD ¡Codes ¡(par+al ¡list) ¡ MHD Equilibrium (contact person) • ESC (L. Zakharov): Connected to the transport modeling code ASTRA • JSOLVER (S. Jardin): J or q profile is specified • PIES (A. Reiman): 3D capable, up-down symmetric • Stellop (S. Lazarson): 3D equlibrium • SPEC (S. Hudson): 3D capable, Stepped pressure • TSC (S. Jardin): Capable of profile evolution MHD Stability • BALOON (S. Jardin): Hign-n modes • HYM (E. Belova): Kinetic hybrid • Cbshi and Cbtri (L. Zakhrov): EM effect of passive structure • M3D (J. Breslau): Nonlinear extended MHD • M3D-C1 (S. Jardin): Nonlinear extended MHD, implicit • PEST (S. Jardin): Global nonlinear MHD 4 ¡

Energe+c ¡par+cles ¡and ¡Kine+c ¡Physics ¡ Energetic particle modes: still mostly at MHD stage, with kinetic hybrid • M3DK (G. Fu): M3D with kinetic energetic particle closure, nonlinear • Nova/Nova-K (N. Gorenkov): Global MHD/kinetic stability, linear Kinetic codes • GTS (W. Wang): Delta-f Gyrokinetic PIC in core geometry • GTC-NEO (W. Wang): Delta-f Neoclassical drift-kinetic PIC, core • XGC1 (S. Ku/C. Chang): Full-f Gyrokinetic PIC, diverted geometry • XGCa (R. Hager/C. Chang): Full-f Gyrokinetic Neoclassical PIC, diverted • XGC0 (R. Hager/C. Chang): Full-f Drift-kinetic Neoclassical PIC, diverted • DEGAS2 (D. Stotler): Monte Carlo neutral particles • ORBIT (R. White): Guiding center orbit following • FULL (G. Rewoldt, retired): Delta-f Gyrokinetic stability, linear eigenmode solver 5 ¡

Transport ¡modeling ¡and ¡Synthe+c ¡diagnos+cs ¡ Transport modeling codes • TRANSP (S. Jardin): Experimental data analysis and transport modeling • NUBEAM (S. Jardin): Neutral beam code, part of TRANSP • ASTRA (L. Zakharov): Connected to the equilibrium code ESC Synthetic diagnostic Codes • Cbbst (L. Zakharov): X-ray source reconstruction • Cbdst (L. Zakharov): Disruption signal • FWR2D (E. Valeo): Reflectometry signal • TRANSP contains some other routines 3 ¡flagship ¡theory ¡codes: ¡M3D-­‑C1, ¡GTS, ¡XGC1 ¡ 6 ¡

Tokamak ¡SimulaNon ¡Code ¡(TSC) ¡ • ¡ ¡Free ¡boundary ¡2D ¡(axisymmetric) ¡transport ¡and ¡evolving ¡equilibrium ¡code ¡ • ¡ ¡Contains ¡complete ¡model ¡of ¡poloidal ¡field ¡coils, ¡circuits, ¡and ¡vessels ¡ • ¡ ¡Used ¡extensively ¡for ¡studies ¡of: ¡ • ¡ ¡ ¡ ¡New ¡tokamak ¡design ¡and ¡volt-­‑second ¡requirements ¡ • ¡ ¡ ¡ ¡Discharge ¡evoluNon, ¡shape ¡control, ¡and ¡coil ¡current ¡requirements ¡ • ¡ ¡ ¡ ¡VerNcal ¡stability ¡and ¡disrupNon ¡forces ¡ Evolu+on ¡of ¡ver+cal ¡displacement ¡event ¡in ¡NSTX ¡ 312 ¡ms ¡ 259 ¡ms ¡ 300 ¡ms ¡ 310 ¡ms ¡ 311 ¡ms ¡

INPUT: ¡Experimental ¡data ¡and ¡ model/calculaNon ¡assumpNons ¡ Equilibrium ¡solver ¡ NB ¡source ¡ Neutral ¡transport ¡ RF ¡source ¡ (NUBEAM) ¡ (TORIC ¡[ECH, ¡ICH], ¡ ¡ Plasma ¡transport ¡solver ¡ Fully ¡validated ¡ LSC, ¡GENRAY ¡[LHCD]) ¡ For ¡D-­‑T ¡ops ¡ GyrokineNc ¡codes ¡ MHD, ¡*AE ¡stability ¡codes, ¡ OUTPUT ¡ (GTC-­‑NEO, ¡GYRO, ¡GS2, ¡GTS…) ¡ ELITE, ¡IPS, ¡SciDACs, ¡etc. ¡ “Plasma ¡State” ¡ Output ¡of ¡TRANSP ¡(Plasma ¡State ¡File) ¡is ¡standardized ¡for ¡simplifying ¡ input ¡to ¡other ¡computaNonally ¡intensive ¡codes ¡ 8 ¡

M3D- C 1 Extended MHD Code High accuracy • – High order finite elements in 3D with C 1 continuity – Optimal decomposition of vector fields into scalars – Accuracy of linear flux-coordinate (FC) codes without using FC Long-time simulations made possible by large time steps and good stability • – Fully implicit algorithm with unique preconditioning Geometrical flexibility • – Unstructured mesh allows variable mesh size (mesh packing) – Does not use flux coordinates  Plasma region with separatrix – Arbitrary shaped vacuum vessel and conductors 400 ¡ 500 ¡ 1400 ¡ 6000 ¡ Poincare ¡plot ¡of ¡three ¡+me ¡slices ¡ of ¡NSTX ¡simula+on ¡in ¡which ¡ plasma ¡is ¡heated ¡above ¡the ¡beta ¡ limit, ¡but ¡nonlinearly ¡saturates ¡ and ¡regains ¡good ¡surfaces ¡ 9 ¡

M3D-­‑K ¡is ¡a ¡global ¡nonlinear ¡kineNc/MHD ¡hybrid ¡ simulaNon ¡code ¡for ¡toroidal ¡plasmas ¡ G.Y. ¡Fu, ¡J. ¡Breslau, ¡L. ¡Sugiyama, ¡H. ¡Strauss, ¡W. ¡Park, ¡F. ¡Wang ¡et ¡al. ¡ Internal ¡kink ¡mode ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡fishbone ¡ The energetic particle stress tensor, , is calculated using gyrokinetic equation via PIC. G.Y. ¡Fu ¡et ¡al, ¡ ¡PHYSICS ¡OF ¡PLASMAS ¡13, ¡052517 ¡(2006) ¡

Stellop: ¡3D ¡equilibrium ¡code, ¡uNlizes ¡VMEC ¡ (S. ¡Lazarson) ¡ 11 ¡

Gyrokinetic multiscale XGC1 code at PPPL-KAIST for KSTAR Research • Kinetic ion physics with MC neutral particles • New physics with kinetic electrons • Up-coming new capabilities: Impurity and Electromagnetic KSTAR ¡program ¡ PPPL ¡ Physics, ¡KAIST ¡ Co-­‑development ¡ (XGC1, ¡XGC0*) ¡ (XGC1, ¡XGC0, ¡XGCa) ¡ SciDAC-­‑3 ¡Center ¡EPSi ¡ US ¡Super ¡computers ¡ (Math, ¡CompuNonal ¡ (Titan, ¡Mira, ¡Edison, ¡Hopper) ¡ Science) ¡ *XGC0 ¡has ¡some ¡more ¡advanced ¡features: ¡3D ¡penetraNon, ¡impurity, ¡radiaNve ¡loss, ¡etc ¡ ¡ 12 ¡

Full-­‑f ¡Gyrokineic ¡code ¡XGC1 ¡in ¡diverted ¡geometry ¡ XGC1: X-point included Gyrokinetic Code 1  To build a gyrokinetic numerical tokamak for the whole volume • Heat and torque (and particle) input in the core • Core-edge self-organization without artificial boundary  Edge plasma is in a non-thermal equilibrium state and requires a non-perturbative kinetic simulation • In contact with material wall with neutral recycling, wall-sheath • Non-Maxwellian, requiring nonlinear collisions • Magnetic separatrix geometry: Orbit loss and X-transport • Steep pedestal, with the gradient-width being ~ ion banana width • Blobs: δ n/n = O (1)  Selforganization among overlapping multi-scale physics • Neoclassical, turbulence, neutral particles with atomics physics  XGC1 is designed to study such plasmas -- Requires extreme scale computing (2014 award ~300M hrs) 13 ¡

1. ¡Full-­‑f ¡ion ¡physics ¡in ¡XGC1 ¡ • GyrokineNc ¡ions, ¡AdiabaNc ¡electrons, ¡and ¡Monte ¡Carlo ¡neutrals ¡recycled ¡at ¡wall ¡ • RealisNc ¡boundary ¡condiNon: ¡Φ W =0. ¡No ¡core-­‑edge ¡boundary ¡  Self-­‑organized ¡plasma-­‑ SimulaNon ¡by ¡S. ¡Ku, ¡VisualizaNon ¡by ¡K.-­‑L. ¡Ma’s ¡group ¡ ITG ¡system ¡under ¡ given ¡source ¡and ¡sink ¡ in ¡the ¡whole ¡volume ¡ • Plasma ¡and ¡ turbulence ¡evolve ¡ together ¡unNl ¡SOC ¡ where ¡power ¡balance ¡ is ¡maintained ¡ • Self-­‑organized ¡through ¡ ExB ¡zonal ¡flow ¡and ¡ GAM ¡generaNon ¡

Ion ¡power ¡balance ¡in ¡XGC1 ¡ 2.0 ¡ms ¡ Neoclassical ¡+ ¡ ITG ¡turbulence ¡ + ¡Neutrals ¡ 5.2 ¡ms ¡ CX ¡cooling ¡ Poloidal ¡Flux ¡ Red: ¡Total ¡hea+ng ¡power ¡ ¡ Black: ¡Total ¡power ¡loss ¡at ¡5.2 ¡ms ¡(heat ¡flux ¡+ ¡CX ¡cooling ¡+ ¡loss ¡to ¡electrons) ¡ Blue ¡dashed: ¡Total ¡power ¡loss ¡at ¡2.0 ¡ms, ¡showing ¡large ¡bursty ¡+me ¡varia+on ¡ Purple: ¡Charge ¡exchange ¡cooling ¡at ¡2.0 ¡ms ¡ Green: ¡Charge ¡exchange ¡cooling ¡at ¡5.2 ¡ms ¡