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Enhanced Dα confinement mode: a theoretical model

André L. Rogister2004年被引用 4Nuclear FusionIF 3出版社

It has been shown in a previous paper that the neoclassical theory of plasma rotation explains well the large toroidal velocity that is measured in the core of edge localized mode (ELM)-free ALCATOR C-Mod H-mode discharges. It has also been noted that the gradient of the toroidal/parallel velocity estimated at the pedestal inflexion point approaches the value required for the onset of the parallel velocity shear Kelvin–Helmholtz (PVS K–H) instability when the discharge is about to undergo an ELM-free to enhanced Dα (EDA) transition. The wavenumbers and frequencies of weakly unstable PVS K–H oscillations are consistent with those of the quasi-coherent mode that is observed in the EDA, but not in the ELM-free, regime—hence the suggestion, which is explored here further, that the transition is the consequence of PVS K–H instability onset. It is at first noted that the neoclassical expression for the toroidal velocity gradient warrants that large values of the safety factor, q, and of the triangularity parameter, δ, favour the transition, as observed. It is also shown that outward convection of toroidal momentum reduces the toroidal velocity gradient and, therefore, the instability growth rate. The anomalous particle flow and the particle confinement time in EDA discharges are then estimated on the assumption that anomalous transport maintains the velocity gradient at the threshold value. The power balance consideration shows that heat transport across the H-mode pedestal is neoclassical, at most. A simple expression of the ratio of particle and energy fluxes is then obtained; the ratio τP/τE of the respective confinement times is in the range of reported values (although it must be noted that it is difficult to quantify τP as it varies rapidly across the edge layer). The scenario assumes that the H-mode pedestal of EDA discharges (the unstable layer where anomalous transport occurs) is impermeable for neutrals since charged particles issuing from ionization would otherwise accumulate in the core; experimental parameters justify this assumption. The possibility of matching simultaneously the requirements for PVS K–H instability onset and non-permeability to neutrals in large devices is discussed.

日本語訳

前論文において、新古典理論によるプラズマ回転が、エッジ局在モード(ELM)フリーのALCATOR C-Mod Hモード放電のコアで測定される大きなトロイダル速度をよく説明することが示されている。また、ペデスタル変曲点で推定されるトロイダル/平行速度の勾配は、放電がELMフリーからenhanced Dα(EDA)遷移を受けようとしているときに、平行速度シア・ケルビン–ヘルムホルツ(PVS K–H)不安定性の発生に必要な値に近づくことも指摘されている。弱く不安定なPVS K–H振動の波数と周波数は、EDA領域で観測されるがELMフリー領域では観測されない準コヒーレントモードのものと一致する。したがって、遷移はPVS K–H不安定性の発生の結果であるという提案がなされており、ここでさらに検討される。まず、トロイダル速度勾配に対する新古典的表現は、安全係数qおよび三角変形度パラメータδの大きな値が遷移を促進することを保証することが指摘される。これは観測と一致する。また、トロイダル運動量の外向き対流がトロイダル速度勾配を減少させ、したがって不安定性の成長率を減少させることも示される。次に、異常輸送が速度勾配を閾値に維持するという仮定の下で、EDA放電における異常粒子流束と粒子閉じ込め時間が推定される。パワーバランスの考察は、Hモードペデスタルを横切る熱輸送がせいぜい新古典的であることを示す。粒子束とエネルギー束の比の簡単な式が得られ、それぞれの閉じ込め時間の比τP/τEは報告されている値の範囲内にある(ただし、τPはエッジ層を横切って急速に変化するため定量化が困難であることに注意する必要がある)。このシナリオは、EDA放電のHモードペデスタル(異常輸送が発生する不安定層)が中性粒子に対して不透過性であることを仮定する。なぜなら、そうでなければ電離に由来する荷電粒子がコアに蓄積するからである。実験パラメータはこの仮定を正当化する。大型装置においてPVS K–H不安定性発生の要件と中性粒子に対する不透過性を同時に満たす可能性について議論される。

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