We report the results of predictive modelling of high performance steady state operation scenarios in KSTAR. Firstly, the capabilities of steady state operation are investigated with time-dependent simulations using a free-boundary plasma equilibrium evolution code coupled with transport calculations. Secondly, the reproducibility of high performance steady state operation scenarios developed in the DIII-D tokamak, of similar size to that of KSTAR, is investigated using the experimental data taken from DIII-D. Finally, the capability of ITER-relevant steady state operation is investigated in KSTAR. It is found that KSTAR is able to establish high performance steady state operation scenarios; βN above 3, H98(y, 2) up to 2.0, fBS up to 0.76 and fNI equals 1.0. In this work, a realistic density profile is newly introduced for predictive simulations by employing the scaling law of a density peaking factor. The influence of the current ramp-up scenario and the transport model is discussed with respect to the fusion performance and non-inductive current drive fraction in the transport simulations. As observed in the experiments, both the heating and the plasma current waveforms in the current ramp-up phase produce a strong effect on the q-profile, the fusion performance and also on the non-inductive current drive fraction in the current flattop phase. A criterion in terms of qmin is found to establish ITER-relevant steady state operation scenarios. This will provide a guideline for designing the current ramp-up phase in KSTAR. It is observed that the transport model also affects the predictive values of fusion performance as well as the non-inductive current drive fraction. The Weiland transport model predicts the highest fusion performance as well as non-inductive current drive fraction in KSTAR. In contrast, the GLF23 model exhibits the lowest ones. ITER-relevant advanced scenarios cannot be obtained with the GLF23 model in the conditions given in this work. Finally, ideal MHD stability is investigated for the ITER-relevant advanced scenarios in KSTAR. The methods and results presented in this paper are expected to contribute to improving the ITER and beyond ITER predictive simulations.
KSTARにおける高性能定常運転シナリオの予測モデリングの結果を報告する。第一に、定常運転の能力を、輸送計算と結合した自由境界プラズマ平衡発展コードを用いた時間依存シミュレーションにより調査する。第二に、KSTARと同規模のDIII-Dトカマクで開発された高性能定常運転シナリオの再現性を、DIII-Dから取得した実験データを用いて調査する。最後に、ITER関連定常運転の能力をKSTARにおいて調査する。KSTARは、βNが3以上、H98(y, 2)が最大2.0、fBSが最大0.76、fNIが1.0に等しい高性能定常運転シナリオを確立できることが見出された。本研究では、密度ピーキング因子のスケーリング則を採用することにより、予測シミュレーションに現実的な密度分布が新たに導入される。電流立ち上げシナリオと輸送モデルの影響は、核融合性能および非誘導電流駆動割合に関して輸送シミュレーションにおいて議論される。実験で観測されたように、電流立ち上げ段階における加熱波形とプラズマ電流波形の両方は、q分布、核融合性能、ならびに電流フラットトップ段階における非誘導電流駆動割合に強い影響を及ぼす。ITER関連定常運転シナリオを確立するためのqminに関する基準が見出された。これはKSTARにおける電流立ち上げ段階の設計指針を提供するであろう。輸送モデルもまた、核融合性能の予測値ならびに非誘導電流駆動割合に影響を与えることが観測される。Weiland輸送モデルは、KSTARにおいて最も高い核融合性能および非誘導電流駆動割合を予測する。対照的に、GLF23モデルは最も低い値を示す。ITER関連先進シナリオは、本研究で与えられた条件下ではGLF23モデルでは得られない。最後に、KSTARにおけるITER関連先進シナリオについて理想MHD安定性が調査される。本論文で提示された方法と結果は、ITERおよびITER以降の予測シミュレーションの改善に貢献することが期待される。