The aim of this study is to perform a theoretical analysis of the magnetohydrodynamic (MHD) stability and energetic particle effects on a LHD equilibria, calculated during a discharge where energetic-ion-driven resistive interchange mode (EIC) events were triggered. We use the reduced MHD equations to describe the linear evolution of the poloidal flux and the toroidal component of the vorticity in a full 3D system, coupled with equations of density and parallel velocity moments for the energetic particles species, including the effect of the acoustic modes, multiple energetic particles (EP) species, helical couplings and helically trapped EP. We add the Landau damping and resonant destabilization effects using a closure relation. The simulations suggest that the helically trapped EP driven by the perpendicular neutral beam injector (NBI) further destabilizes the 1/1 MHD-like mode located at the plasma periphery (r/a = 0.88). If the of the EP driven by the perpendicular NBI is larger than 0.0025 a 1/1 EIC with a frequency around 3 kHz is destabilized. If the effect of the passing EP driven by the tangential NBI is included on the model, any enhancement of the injection intensity of the tangential NBI below leads to a decrease of the instability growth rate. The simulations indicate that the perpendicular NBI EP is the main driver of the EIC events, as it was observed in the experiment. If the effect of the helical couplings are added in the model, an 11/13 EIC is destabilized with a frequency around 9 kHz, inward shifted (r/a = 0.81) compared to the 1/1 EIC. Thus, one possible explanation for the EIC frequency chirping down from 9 to 3 kHz is a transition between the 11/13 to the 1/1 EIC due to a weakening of the destabilizing effect of the high n modes, caused by a decrease of the EP drive due to a loss of helically trapped EP or a change in the EP distribution function after the EIC burst. The experimental data during the EIC bursting phase shows a complex mode structure and an inward shift of the instability, although no direct evidence of the proposed transition has been observed yet.
本研究の目的は、EIC事象が誘発された放電中に計算されたLHD平衡に対する磁気流体力学(MHD)安定性と高エネルギー粒子効果の理論解析を行うことである。我々は、完全3次元系におけるポロイダル磁束と渦度のトロイダル成分の線形発展を記述するために、簡約MHD方程式を用いる。これは、高エネルギー粒子種の密度および平行速度モーメントの方程式と連成されており、音響モード、複数の高エネルギー粒子(EP)種、ヘリカル結合、およびヘリカル捕捉EPの効果を含む。我々は、閉包関係を用いてランダウ減衰と共鳴不安定化効果を追加する。シミュレーションは、垂直中性粒子ビーム入射装置(NBI)によって駆動されるヘリカル捕捉EPが、プラズマ周辺部(r/a = 0.88)に位置する1/1 MHD様モードをさらに不安定化することを示唆している。垂直NBIによって駆動されるEPの が0.0025より大きい場合、周波数約3 kHzの1/1 EICが不安定化される。接線NBIによって駆動される通過EPの効果をモデルに含める場合、接線NBIの入射強度の 未満のいかなる増強も、不安定性成長率の減少をもたらす。シミュレーションは、実験で観測されたように、垂直NBI EPがEIC事象の主な駆動源であることを示している。ヘリカル結合の効果をモデルに追加すると、11/13 EICが周波数約9 kHzで不安定化され、1/1 EICと比較して内側にシフトする(r/a = 0.81)。したがって、EIC周波数が9 kHzから3 kHzへチャープダウンする一つの可能な説明は、高nモードの不安定化効果の弱化による11/13から1/1 EICへの遷移であり、その弱化は、EICバースト後のヘリカル捕捉EPの損失またはEP分布関数の変化によるEP駆動の減少によって引き起こされる。EICバースト位相中の実験データは、複雑なモード構造と不安定性の内側へのシフトを示しているが、提案された遷移の直接的な証拠はまだ観測されていない。