전자공명가열(ECH) 세기에 따른 KSTAR H-모드 플라즈마 내 알곤 불순물 이온 수송 변화 및 노심축적 완화

Abstract

플라즈마와 노벽간의 상호작용 등으로 핵융합 플라즈마 내부에 필연적으로 존재하는 불순물 이온들은 플라즈마 노 심에 축적되며 연료 이온을 희석시키고 방사광의 형태로 플라즈마 내부에 저장된 에너지를 지속적으로 감소시킨다. 반면 통제된 양의 불활성기체 불순물을 디버터 근처에 주입할 경우 플라즈마로부터 분출되는 고온의 열속으로부터 핵융합로의 내벽을 보호하는 역할을 하기도 한다. 즉 노벽과의 상호작용으로 발생한 탄소, 텅스텐과 같은 내벽재질 불순물뿐만 아니라, 본 연구에서 다루고자 하는 알곤과 같은 불활성 기체 불순물의 수송 및 제어 연구 역시 핵융합 상용화를 위해서는 반드시 해결해야만 하는 과제 중 하나이다. 이를 위해 본 연구센터에서는 KSTAR H-mode 플 라즈마에 다양한 세기의 전자공명가열(electron cyclotron resonance heating)을 인가하여 진단용으로 주입된 알곤 불순물 이온의 노심 축적 현상을 제어하는 실험을 수행하였다. 그 결과 전자공명가열을 인가해 준 플라즈마의 경우 상당한 크기의 알곤 방출광량 감소를 진공자외선 분광시스템과 엑스선 분광진단을 통하여 측정하였으며, 전자공명 가열의 세기를 강화시킬수록 Ar15+ 선 방출광의 경우 감소가, Ar16+ 선 방출광의 경우 증가가 일어남을 확인하였다. 또 불순물 수송 전산모사 코드인 ADAS-SANCO를 이용하여 측정된 알곤 방출광 데이터로부터 알곤 불순물 이온 의 수송계수 및 대류계수를 계산하였다. 전자공명가열을 인가해 줄 경우 가열위치의 확산계수가 크게 증대하였으며 대류계수의 경우 노심방향의 대류 세기가 감소하였다. 이를 설명하기 위해 NEO 코드를 통한 신고전이론 및 GKW 코드를 통한 난류이론 계산 또한 수행되었으며, 그 결과 KSTAR 플라즈마에 주입된 알곤 불순물의 경우 신고전이 론에 의한 충돌효과 보다는 난류수송효과가 지배적임을 확인하였다.