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Benchmarking of codes for plasma burn-through in tokamaks

Hyun-Tae Kim, A. Mineev, D. Ricci, Jeong-Won Lee, Yong-Su Na, ITPA-IOS members, JET contributors2020年被引用 7Nuclear FusionIF 3出版社

For the first time, there was an extensive comparison between the plasma burn-through modelling codes presently available—DYON, SCENPLINT, and BKD0. The code benchmarking was carried out over three cases, adding more complexities in the modelling for each step. The first benchmarking was to revisit the mathematical models in the three codes. The simulation results were compared with the simplified settings, where ohmic burn-through of a pure hydrogen plasma was modelled with the ITER-relevant constant parameters. Without any reconciliation work, the three codes already predicted the same threshold prefill gas pressure for the hydrogen burn-through in ITER. However, the three codes produced different time-evolution of plasma parameters. The code developers identified differences in the mathematical models, which resulted in the different time-evolution. This enabled the codes to use the same mathematical models in the second benchmarking, which simulates an ohmic plasma burn-through discharge in a presently operating device. In the second benchmarking, the time-evolution of plasma parameters and impurities was simulated together with time-evolving experimental data from a JET discharge. It was found in this exercise that the time-evolving plasma volume and the electromagnetic modelling of eddy current in the passive structure could significantly change the simulation results, and thus their models need to be improved. For the third benchmarking, stand-alone simulations of the ECH modules in the three codes were compared. The calculated ECH absorption efficiency is identical in DYON and SCENPLINT, while it is about 20% higher in BKD0. Coupling the ECH modules, DYON and SCENPLINT simulated an ECH-assisted plasma burn-through discharge in KSTAR. In the early plasma burn-through phase, similar time-evolution of plasma parameters was reproduced. However, Te evolution starts to deviate from one another at about 100 ms. This is attributed to the sensitivity of ECH power absorption to the small initial difference in Te, which possibly resulted from the different atomic data in the two codes.

日本語訳

初めて、現在利用可能なプラズマ燃焼通過モデリングコードであるDYON、SCENPLINT、BKD0の間で広範な比較が行われた。コードのベンチマークは3つのケースにわたって実施され、各ステップごとにモデリングの複雑さが増加した。最初のベンチマークは、3つのコードにおける数学モデルを再検討することであった。シミュレーション結果は、ITER関連の一定パラメータを用いて純水素プラズマのオーミック燃焼通過をモデル化した簡略化設定と比較された。調整作業なしで、3つのコードはすでにITERにおける水素燃焼通過の同じ閾値プリフィルガス圧力を予測した。しかしながら、3つのコードはプラズマパラメータの異なる時間発展を生み出した。コード開発者は、異なる時間発展をもたらした数学モデルの違いを特定した。これにより、コードは現在稼働中の装置におけるオーミックプラズマ燃焼通過放電をシミュレートする2回目のベンチマークで同じ数学モデルを使用することが可能となった。2回目のベンチマークでは、プラズマパラメータと不純物の時間発展が、JET放電からの時間発展する実験データとともにシミュレートされた。この演習では、時間発展するプラズマ体積と受動構造における渦電流の電磁モデリングがシミュレーション結果を大きく変える可能性があり、したがってそれらのモデルを改善する必要があることが判明した。3回目のベンチマークでは、3つのコードにおけるECHモジュールのスタンドアロンシミュレーションが比較された。計算されたECH吸収効率はDYONとSCENPLINTで同一であり、BKD0では約20%高い。ECHモジュールを結合して、DYONとSCENPLINTはKSTARにおけるECH支援プラズマ燃焼通過放電をシミュレートした。初期のプラズマ燃焼通過段階では、プラズマパラメータの類似した時間発展が再現された。しかしながら、Teの時間発展は約100 msで互いに乖離し始める。これは、ECHパワー吸収がTeの小さな初期差に対して敏感であることに起因しており、その差は2つのコードにおける異なる原子データから生じた可能性がある。

装置

iter中精度(概要文一致)jet中精度(概要文一致)kstar中精度(概要文一致)
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