Pre-ionization and plasma startup by 84 GHz second harmonic EC wave for KSTAR first plasma

DoctorAn 84 GHz, 500 kW electron cyclotron heating (ECH) system has been developed for ECH-assisted startup using electron cyclotron (EC) waves in the fully Korea Superconducting Tokamak Advanced Research (KSTAR) device, which enables advanced steady-state operation [1-2]. This ECH plasma heating system is used for the pre-ionization to reduce the volt-sec of Ohmic heating and it helps the Ohmic discharges with a lower loop voltage for the flexibility and reliability of the operation of the KSTAR tokamak. The 84 GHz KSTAR ECH system is composed of a gyrotron, power supply system, and a transmission line system with a launcher. The microwave source is a gyrotron whose RF frequency and power are 84 GHz and 500 kW with pulse length up to 2.0 sec. The output RF beam of TEM00 mode from the gyrotron is delivered to the antenna system through evacuated HE11 mode circular corrugated waveguides with inner diameter of 31.75 mm and miterbends with flat mirror. For the specific mode coupling at the plasma edge, the injection EC beam polarization can be controlled from linear to circular by two sinusoidal grooved mirrors inside the polarizer miterbends. The injection angle is covered in both the toroidal range of ±38°and the poloidal ranges of 55°to 90°from the vertical axis with a sufficiently focused Gaussian beam which powers e-folding radius of ~10 mm. In the first plasma campaign of the KSTAR, the successful demonstration of the second harmonic ECH-assisted startup experiments were completed [3-4]. For the second harmonic ECH-assisted startup, an 84 GHz EC wave at 350 kW was launched just prior to the onset of the toroidal electric field of the Ohmic system. And it was observed that this was sufficient to achieve breakdown in the ECH pre-ionization phase, allow burn-through and sustain the plasma during the current-ramp phase of plasma with a low loop voltage of 2.0 V and a corresponding toroidal electric field of 0.24 V/m at the innermost vacuum vessel wall (at R = 1.3 m). This is a lower value than 0.3 V/m which is the maximum electric field in ITER design. Most of the experiments showed that early pre-ionization produced a faster current rise. It could also provide additional heating during the current ramp-up phase so that the plasma current increased to more than 100 kA with less than 1 Wb flux consumption. The most effective EC launch was observed to be at a lower vertical position of the resonance layer with the toroidal angle of φ = 10º in the opposite direction to the toroidal magnetic field. Also, the pure X-mode injection for all toroidal and poloidal launching angles provided efficient pre-ionization and reliable startup. This second harmonic ECH-assisted startup is important for reduced magnetic field operation during the first plasma campaign for the new machine. Therefore, the success of the KSTAR ECH-assisted startup by second harmonic ECH pre-ionization encourages the use of the second harmonic ECH on the first plasma campaign of ITER.84-GHz, 500-kW ECH (Electron Cyclotron Heating: 전자공명가열장치) 시스템은 KSTAR PF 초전도 코일 시동 (blip) 이전에 고출력 밀리미터파를 토카막 내부에 입사하여 중성기체의 방전을 통한 전이온화 (Pre-ionization)를 발생한다. ECH를 이용한 전이온화 방법은 플라즈마 방전 개시 및 저항가열 유도과정에서 요구되는 일주 전압 (loop voltage)을 낮출 수 있으며 소모되는 volt-sec를 절약하여 다양한 토카막 운전모드 설정에 기여할 수 있다. 최초 플라즈마 발생 시험에서는 R~1.7 m의 지점에 1.5 Tesla의 토로이달 자장을 형성하여 싸이클로트론 공명주파수의 2차 고조파 (second harmonic)에 해당되는 84 GHz 밀리미터파를 토카막에 입사, 성공적인 전이온화를 발생하였다. 안정적이고 신뢰성 있는 플라즈마 발생 조건을 확보하기 위하여 ECH 파워, 입사 빔의 편광도 (ellipticity) 및 입사 모드, 입사 위치, 중성 기체 압력에 따른 전이온화 특성 등 운전 파라미터에 따른 전이온화 특성을 확인 하였다. 전이온화 발생 여부 및 플라즈마 개시 시간은 H-alpha 신호를 기준으로 하였다. KSTAR 최초 플라즈마 발생 단계에서는 선형 편광된 X-모드 (extraordinary)의 2차 고조파가 토카막의 바깥 영역에서 토로이달 자장에 수직하게 입사되어 성공적인 전이온화를 발생하였다. 공명 영역에 입사되는 빔의 위치는 조향장치 (steering system)가 장착된 거울을 통해 토로이달 및 폴로이달 방향으로 임의 조정되었다. 입사 빔의 편광 방향 (polarization angle) 및 편광도 (ellipticity) 조정에는 전송선 시스템에 장착된 두 개의 편광조정 마이터벤드 (polarization rotator and circular polarizer miterbend)가 이용되어 선형 (linear) 및 타원 (elliptical) 편광된 빔을 토로이달 자장에 대하여 수직 혹은 비스듬하게 입사 하여 (oblique injection) 전이온화 특성을 확인하였다. 2차 고조파를 이용한 ECH 전이온화 시험에서는 ECH 입사 후 플라즈마 발생까지 10~30 msec의 시간이 소요되었으며 이에 따라, 안정적인 초기 이온화를 위하여 PF 코일 blip 수행 40 msec 이전에 ECH가 입사되었다. 또한 PF 코일의 volt-sec 소모를 줄이고 안정적인 플라즈마 전류의 상승 (ramp-up) 및 유지를 위하여 ECH 입사는 PF blip 이후에도 약 200 msec동안 유지되었다. 안정적인 플라즈마의 발생을 위해서 최소 300 kW 이상의 ECH 파워가 필요하며 이보다 작은 파워가 입사되었을 경우 플라즈마는 발생되지 않았다. 300 kW 이상의 조건에서는 ECH 파워가 클수록 전이온화는 빠르게 일어나며 H-alpha 신호의 세기, 플라스마 밀도, 플라스마 전류가 커지는 것을 확인하였다. 토로이달 방향 입사의 경우에는 플라즈마 전류 (Ip)와 동일한 방향으로 입사각을 변경하여 입사하였을 경우 입사각이 클수록 전이온화가 빠르게 일어나는 것을 확인하였다. 즉, 토로이달 자장 영역에 대해 입사되는 밀리미터파의 평행 성분이 많을수록 전이온화는 빠르게 일어났다. 하지만 플라즈마 전류와 반대 방향으로 입사한 경우, 전이온화는 수직입사의 경우보다 빠르게 일어나는 것을 확인하였으나 PF blip 이후 플라즈마 전류 상승 및 유지 단계로 접어들지 못하고 플라즈마가 소멸되는 것을 확인하였다. 폴로이달 방향으로 입사 위치를 변경한 경우 수직 자기장이 거의 없는 field null 영역에서 중심 부분 (Z=0 cm)에 입사한 경우보다 중심에서 10 cm 아래 부분 (Z=-10 cm)에 입사한 경우에 전이온화가 빠르게 일어남을 확인하였다. 또한, 동일한 입사조건에서 ECH 입사 후 전이온화는 중성 기체 압력 범위 2~5×1e-5 mbar에서 시험 수행한 결과 중성 기체 압력이 클수록 빠르게 일어나는 것을 확인 하였다

KSTAR ECH 전송 시스템의 HE11 진행 모드 특성 측정

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