JOREK 시뮬레이션을 이용한 ASDEX Upgrade X포인트 라디에이터 형성 및 이동 연구

초록

본 논문은 비선형 MHD 코드 JOREK에 중성 입자와 질소 불순물에 대한 전자 입자‑입자 모델을 결합하여 ASDEX Upgrade 플라즈마에서 X‑point 라디에이터(XPR)의 형성, 정착 및 시드율 변화에 따른 고도 이동을 2차원 축대칭 시뮬레이션으로 재현한다. 세 단계의 시뮬레이션 과정을 통해 고밀도 고장측(HFSHD) 형성, 완전 탈착, XPR 고정 및 시드율 변동에 따른 상승·하강 거동을 확인한다.

상세 분석

이 연구는 JOREK의 기존 비선형 MHD 프레임워크에 전자 입자‑입자(full‑f) 방식의 중성 입자와 질소 불순물 모델을 추가함으로써, 플라즈마와 입자 사이의 이온화·재결합·전하 교환·복사 과정을 실시간으로 계산한다. 시뮬레이션은 ASDEX Upgrade 방전 #38773(3.65 s) 의 평형과 0.8 MA 전류, -1.8 T 토로이달 필드, 10 MW 가열을 초기 조건으로 사용하였다. 세 단계는(1) 기본 MHD만 적용해 초기 플라즈마 프로파일을 재현, (2) 중성 입자와 질소 불순물을 각각 독립적으로 도입해 연료와 시드율을 순차적으로 램프업, (3) 연료와 시드율을 조절해 총 입자 수를 일정하게 유지하며 XPR을 정착시킨다.

핵심 물리 현상으로는 고장측 고밀도(HFSHD) 형성이 있다. 초기 연료 급증과 재순환으로 인한 중성 입자 밀도 상승이 고장측 플라즈마를 1 eV 이하로 냉각시키며, 이때 전하 교환과 이온화가 활발히 일어나 고밀도 영역이 X‑point 근처까지 확장된다. 이어서 질소 시드가 충분히 증가하면 내부 타깃이 탈착되고 전자 온도가 1 eV 이하로 떨어져 복사 손실이 급증한다. 복사 구역은 주로 PFR(프라이빗 플럭스 영역)과 저장자 측 SOL에 집중되며, X‑point 위에 고밀도·고복사 코어가 형성되어 XPR이 6.8 cm 고도에 고정된다.

정착 단계에서는 연료와 시드율을 동시에 조정해 총 입자 수(중성+이온)를 일정하게 유지함으로써 XPR 고도가 변동 없이 유지된다. 이후 시드율을 증가시키면 질소 농도가 상승해 복사 구역이 상향 이동하고, 반대로 시드율을 감소시키면 복사 구역이 하향 이동한다. 이는 XPR 고도가 시드율에 비례해 변한다는 실험적 관측을 수치적으로 재현한 결과이다.

한편, 현재 시뮬레이션에는 불순물-배경 플라즈마 간의 네오클래식 충돌(프리스크–슐터 연산자)이 포함되지 않아 불순물 입자가 E×B 흐름에 의해 과도하게 폴로이달로 늘어나는 현상이 나타난다. 향후 섹션 7에서 충돌 모델을 도입하면 XPR의 폴라 형태가 보다 현실적으로 억제될 것으로 기대된다. 또한 3D MHD 불안정성(ELM 등)과의 상호작용을 다루기 위해 현재 2D 결과를 기반으로 3D 시뮬레이션으로 확장할 계획이다.

이와 같이, JOREK‑KINETIC 결합 모델은 XPR 형성 메커니즘, 고도 제어 메커니즘, 그리고 향후 3D MHD와의 결합 연구에 필요한 정량적 기반을 제공한다.