A hybrid scenario with the minimum safety factor above unity and a safety factor profile with a wide range of low magnetic shear in the core is one of the candidates for ITER operations. Theory predicts that such equilibria are prone to quasi-interchange mode, which was confirmed by observations from several devices. The presence of those 3D quasi-interchange helical modes has both positive and negative effects on plasma performance. On the one hand, they can avoid low mode number instabilities such as sawteeth. On the other hand, they would lead to confinement degradation, significant fast ion losses and toroidal rotation damping. Such modes are observed for the first time in EAST high βp hybrid plasmas achieved with off-axis neutral beam injection (NBI) heating. The mode manifested itself as long-lived saturated helical instability. Notably, when the mode was destabilized, the toroidal rotation profile in the core was completely flattened. The extent of the flattened rotation profile reaches up to half of the minor radius. As the minimum safety factor qmin approaches unity, strong n = 2 and n = 3 harmonics are successively driven unstable as nonlinear consequences of the n = 1 mode. A 3D resistive nonlinear simulation with a realistic tokamak configuration has been applied to reproduce the evolution of long-lived helical instability with the M3D code. The simulated magnetic perturbation shows a strong n = 2 component. As the mode grows, the amplitude of the n = 2 harmonic grows immensely with respect to that of the n = 1 harmonic. The n = 2 harmonic gradually becomes dominant as the mode saturates. In saturation, the initial weak shear safety factor profile in the core becomes completely flat. This change of safety factor profile in the core corroborates a self-regulating magnetic flux pumping mechanism which is considered responsible for maintaining stationary non-sawtoothing hybrid discharges.
最小安全係数が1を超え、コア内の広範囲にわたって低磁気シアを有する安全係数分布を持つハイブリッドシナリオは、ITER運転の候補の1つである。理論は、そのような平衡が準交換モードを起こしやすいと予測しており、これは複数の装置での観測によって確認されている。それらの3次元準交換ヘリカルモードの存在は、プラズマ性能に正と負の両方の影響を及ぼす。一方で、それらは鋸歯状振動のような低次の不安定性を回避することができる。他方で、それらは閉じ込めの劣化、顕著な高速イオン損失、およびトロイダル回転の減衰につながるであろう。そのようなモードは、オフ軸中性粒子ビーム入射(NBI)加熱を伴って達成されたEAST高βpハイブリッドプラズマにおいて初めて観測された。このモードは、長寿命の飽和ヘリカル不安定性として現れた。注目すべきことに、モードが不安定化されると、コア内のトロイダル回転分布は完全に平坦化された。平坦化された回転分布の範囲は、小半径の半分にまで及ぶ。最小安全係数qminが1に近づくにつれて、強いn=2およびn=3高調波が、n=1モードの非線形結果として連続的に不安定化される。現実的なトカマク配位を用いた3次元抵抗性非線形シミュレーションが、M3Dコードを用いた長寿命ヘリカル不安定性の時間発展を再現するために適用された。シミュレーションされた磁気摂動は、強いn=2成分を示す。モードが成長するにつれて、n=2高調波の振幅はn=1高調波の振幅に対して非常に大きくなる。n=2高調波は、モードが飽和するにつれて徐々に支配的になる。飽和時には、コア内の初期の弱いシアを有する安全係数分布は完全に平坦になる。コア内のこの安全係数分布の変化は、定常的な非鋸歯状ハイブリッド放電を維持する原因であると考えられる自己制御型磁束ポンピング機構を裏付けるものである。