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 ¡

• 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

Outline ¡

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) ¡

4 ¡

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

Energe+c ¡par+cles ¡and ¡Kine+c ¡Physics ¡

5 ¡

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

Transport ¡modeling ¡and ¡Synthe+c ¡diagnos+cs ¡

6 ¡

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 ¡

300 ¡ms ¡ 259 ¡ms ¡ 310 ¡ms ¡ 311 ¡ms ¡ 312 ¡ms ¡

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 ¡

Output ¡of ¡TRANSP ¡(Plasma ¡State ¡File) ¡is ¡standardized ¡for ¡simplifying ¡ input ¡to ¡other ¡computaNonally ¡intensive ¡codes ¡

8 ¡

INPUT: ¡Experimental ¡data ¡and ¡ model/calculaNon ¡assumpNons ¡ NB ¡source ¡ (NUBEAM) ¡

Fully ¡validated ¡ For ¡D-­‑T ¡ops ¡

Neutral ¡transport ¡ Equilibrium ¡solver ¡ Plasma ¡transport ¡solver ¡ OUTPUT ¡ MHD, ¡*AE ¡stability ¡codes, ¡ ELITE, ¡IPS, ¡SciDACs, ¡etc. ¡ GyrokineNc ¡codes ¡ (GTC-­‑NEO, ¡GYRO, ¡GS2, ¡GTS…) ¡ RF ¡source ¡ (TORIC ¡[ECH, ¡ICH], ¡ ¡ LSC, ¡GENRAY ¡[LHCD]) ¡

“Plasma ¡State” ¡

M3D-C1 Extended MHD Code

• High accuracy

– High order finite elements in 3D with C1 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

9 ¡

500 ¡ 1400 ¡ 6000 ¡ 400 ¡

Poincare ¡plot ¡of ¡three ¡+me ¡slices ¡

• f ¡NSTX ¡simula+on ¡in ¡which ¡

plasma ¡is ¡heated ¡above ¡the ¡beta ¡ limit, ¡but ¡nonlinearly ¡saturates ¡ and ¡regains ¡good ¡surfaces ¡

M3D-­‑K ¡is ¡a ¡global ¡nonlinear ¡kineNc/MHD ¡hybrid ¡ simulaNon ¡code ¡for ¡toroidal ¡plasmas ¡

The energetic particle stress tensor, , is calculated using gyrokinetic equation via PIC.

G.Y. ¡Fu, ¡J. ¡Breslau, ¡L. ¡Sugiyama, ¡H. ¡Strauss, ¡W. ¡Park, ¡F. ¡Wang ¡et ¡al. ¡ Internal ¡kink ¡mode ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡fishbone ¡ G.Y. ¡Fu ¡et ¡al, ¡ ¡PHYSICS ¡OF ¡PLASMAS ¡13, ¡052517 ¡(2006) ¡

11 ¡

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

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

12 ¡

PPPL ¡

(XGC1, ¡XGC0, ¡XGCa) ¡

SciDAC-­‑3 ¡Center ¡EPSi ¡ (Math, ¡CompuNonal ¡ Science) ¡ Physics, ¡KAIST ¡

(XGC1, ¡XGC0*) ¡

KSTAR ¡program ¡ US ¡Super ¡computers ¡ (Titan, ¡Mira, ¡Edison, ¡Hopper) ¡

Co-­‑development ¡ *XGC0 ¡has ¡some ¡more ¡advanced ¡features: ¡3D ¡penetraNon, ¡impurity, ¡radiaNve ¡loss, ¡etc ¡ ¡

• 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: δn/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)

Full-­‑f ¡Gyrokineic ¡code ¡XGC1 ¡in ¡diverted ¡geometry ¡

13 ¡

XGC1: X-point included Gyrokinetic Code 1

• 1. ¡Full-­‑f ¡ion ¡physics ¡in ¡XGC1 ¡
• GyrokineNc ¡ions, ¡AdiabaNc ¡electrons, ¡and ¡Monte ¡Carlo ¡neutrals ¡recycled ¡at ¡wall ¡
• RealisNc ¡boundary ¡condiNon: ¡ΦW=0. ¡No ¡core-­‑edge ¡boundary ¡

 Self-­‑organized ¡plasma-­‑ 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 ¡

SimulaNon ¡by ¡S. ¡Ku, ¡VisualizaNon ¡by ¡K.-­‑L. ¡Ma’s ¡group ¡

Ion ¡power ¡balance ¡in ¡XGC1 ¡

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 ¡

2.0 ¡ms ¡ 5.2 ¡ms ¡ Poloidal ¡Flux ¡ CX ¡cooling ¡

Neoclassical ¡+ ¡ ITG ¡turbulence ¡ + ¡Neutrals ¡

Without ¡neutrals ¡(R=0) ¡ With ¡a ¡full ¡neutral ¡ recycling ¡(R=0.99) ¡

XGC1 ¡showed ¡that ¡ITG ¡turbulence ¡is ¡sensi+ve ¡to ¡ neutral ¡atomic ¡physics: ¡

• Cooling ¡of ¡Ti ¡in ¡pedestal ¡slope ¡ ¡higher ¡turbulence ¡drive ¡(ηi) ¡at ¡pedestal ¡top ¡
• Damping ¡of ¡ExB ¡shearing ¡rate ¡

δn/n ¡

Edge ¡rota+on ¡source ¡and ¡inward ¡momentum ¡pinch ¡

• Detailed experimental

measurement exists

[S. Muller, PRL & PoP, 2011] – Conventional turbulent Reynolds stress could not explain the rotation profile

• The XGC1-produced

edge rotation profile and the inward momentum pinch speed agree with the experimental data

– Edge rotation is from PS flow – Momentum pinch: In addtion to the conventional theory, interaction between turbulence and neoclassial

• rbits is needed

DIII-D ECH shot #141451 Neoclassical ¡ P-­‑S ¡flow ¡ Turbulent ¡momentum ¡pinch ¡

[J. ¡Seo, ¡Dep. ¡Physics, ¡KAIST] ¡

No ¡turbulence ¡ ¡no ¡ momentum ¡pinch. ¡ ¡ But, ¡the ¡edge ¡rotaNon ¡ persists ¡(P-­‑S ¡flow). ¡

Ion transport in KSTAR core agrees well with ITG turbulence + Neoclassical

[J. Seo, KAIST]

• H mode shot #5681 at time= 2.48 s
• NBI heating power : 1.5 MW
• Heating region : ψN=from 0 to 0.35

SNff ¡Ti ¡profile ¡at ¡ ¡ Self-­‑organized ¡criNcality: ¡ R/LT ¡~ ¡6.5 ¡

Momentum transport is also consistent with ITG turbulence

• Total torque ~ 0.95 (Nm) (from NUBEAM analysis)

Experimental torque profile from NUBEAM XGC1 simulation results

Effective Diffusivity Profile

• Heat transport is much larger than neoclassical prediction
• Prandtl number ~ 0.7

21 ¡

Valida+on ¡of ¡the ¡edge ¡momentum ¡source ¡and ¡the ¡ inward ¡momentum ¡flux ¡in ¡DIII-­‑D ¡edge ¡plasma ¡

Experiment ¡(Muller ¡et ¡al., ¡2011) ¡

• Edge ¡momentum ¡source ¡is ¡seen ¡
• Measured ¡turbulent ¡Reynolds ¡stress ¡

cannot ¡explain ¡either ¡edge ¡ momentum ¡source ¡or ¡inward ¡ momentum ¡transport ¡

XGC1 ¡simula+on ¡(Suh ¡et ¡al., ¡2013) ¡

• Similar ¡momentum ¡source ¡is ¡seen ¡and ¡

idenNfied ¡to ¡be ¡from ¡neoclassical ¡physics ¡

• Total ¡momentum ¡flux ¡from ¡ITG ¡+ ¡

neoclassical ¡orbilts ¡is ¡inward, ¡with ¡a ¡ correct ¡magnitude. ¡

• 2. ¡Kine+c ¡electrons ¡yield ¡nonlinear ¡coherent ¡structures ¡

22 ¡

23 ¡

Poloidal ¡poten+al ¡varia+on ¡in ¡scrape-­‑off ¡layer ¡

Outer ¡midplane ¡ Top ¡ Inner ¡midplane ¡ Outer ¡divertor ¡ Inner ¡divertor ¡

Heat-­‑load ¡width, ¡measured ¡in ¡ψN ¡and ¡mapped ¡ back ¡to ¡outside ¡midplane ¡

• λq ¡=4.4 ¡mm: ¡

¡Shorter ¡than ¡the ¡ average ¡blob ¡size ¡ (~1cm) ¡

• Closer ¡to ¡ion ¡banana ¡

width ¡(~3mm) ¡ ¡ ¡1/Ip ¡type ¡scaling ¡in ¡ present-­‑day ¡tokamaks, ¡ as ¡found ¡in ¡XGC0 ¡[2010 ¡ DOE ¡JRT ¡Report] ¡

• At ¡high ¡B, ¡such ¡as ¡ITER, ¡

will ¡the ¡blobs ¡saturate ¡ the ¡1/Ip ¡type ¡scaling? ¡

24 ¡

Effec+ve ¡radial ¡par+cle ¡diffusivity ¡in ¡H-­‑mode ¡pedestal ¡ stays ¡small ¡even ¡with ¡blobs ¡ ¡ ¡Indica+on ¡of ¡inward ¡ par+cle ¡pinch? ¡

(Preliminary ¡result) ¡

Inward ¡par+cle ¡pinch ¡is ¡found! ¡

(preliminary ¡result) ¡

ElectrostaNc ¡edge ¡turbulence ¡ yields ¡inward ¡parNcle ¡pinch ¡in ¡ the ¡presence ¡of ¡neutral ¡ parNcles! ¡

26 ¡

Electron ¡radial ¡transport ¡

Inward ¡pinch ¡region ¡ Neutral ¡ ionizaNon ¡ region ¡ MagneNc ¡separatrix ¡

Vor+city ¡merging ¡

27 ¡

<δvr>t(m/s) ¡

δnp>σ ¡ δnp<-­‑σ ¡

Could ¡support ¡the ¡H-­‑mode ¡state ¡and ¡provide ¡hysterisis ¡in ¡HL ¡back ¡transiNon ¡

VorNcity ¡merging ¡with ¡collisions ¡and ¡neutral ¡recycling ¡

Upcoming ¡new ¡capabili+es ¡in ¡XGC1 ¡

28 ¡

• Upcoming capabilities
• Multiple impurity species (KAIST)
• Electromagnetic turbulence
• Turbulence in 3D magnetic

perturbation (S. Ku) Collisionless ¡Cross-­‑verificaNon ¡of ¡ XGC1 ¡Impurity ¡Modes ¡with ¡GYRO ¡ and ¡GS2 ¡(K. ¡Kim, ¡KAIST). ¡

Electromagne+c ¡turbulence ¡capability ¡in ¡XGC1 ¡

• Currently ¡both ¡hybrid-­‑electron ¡and ¡split-­‑weight ¡schemes ¡are ¡used ¡in ¡XGC1 ¡
• Two ¡E&M ¡methods ¡to ¡be ¡converted ¡to ¡diverted ¡geometry ¡in ¡2014 ¡
• Other ¡E&M ¡methods ¡are ¡also ¡being ¡considered ¡(e.g., ¡Hatzky ¡et ¡al, ¡hybrid ¡ion-­‑

electron, ¡full ¡Ampere’s ¡law, ¡etc) ¡

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Cross ¡verificaNon ¡of ¡Alfven ¡wave ¡ frequency ¡in ¡XGC1 ¡using ¡hybrid-­‑ electron ¡scheme ¡(CollaboraNon ¡ with ¡UC ¡Irvine) ¡ Low ¡beta ¡ITG ¡turbulence ¡from ¡ XGC1 ¡using ¡electromagneNc ¡ split-­‑weight ¡scheme ¡ (collaboraNon ¡with ¡U. ¡Colorado) ¡

Gyrokinetic multiscale XGC1 code at PPPL and KAIST for KSTAR Collaboration

• Kinetic ion physics with MC neutral particles
• New physics with kinetic electrons
• Up-coming new capabilities: Impurity and Electromagnetic

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PPPL ¡

(XGC1, ¡XGC0, ¡XGCa) ¡

SciDAC-­‑3 ¡Center ¡EPSi ¡ (Math, ¡CompuNonal ¡ Science) ¡ Physics, ¡KAIST ¡

(XGC1, ¡XGC0) ¡

KSTAR ¡program ¡ US ¡Super ¡computers ¡ (Titan, ¡Mira, ¡Edison, ¡Hopper) ¡

Co-­‑development ¡