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Coupled radial and thermal fluctuations of ignited tokamak plasmas

L. Bromberg, D.R. Cohn1981年被引用 11Nuclear FusionIF 3出版社

The coupling between radial motion and temperature fluctuations of an ignited D-T tokamak plasma is studied in terms of a one-dimensional transport model. The energy balance equations are linearized about the thermal equilibrium (i.e. ignition) point and an eigenvalue analysis is used to determine the growth rate of perturbations. If the density dynamics is relatively slow, it is found that there is, at most, one growing eigenmode. The growth rate of temperature perturbations and the extent of radial movement depend upon a parameter ηr which describes the elasticity of radial motions (ηr = T/R dR/dT, where R is the major radius and T is the plasma temperature) . A simple MHD model is used to determine the dependence of ηr upon the vertical field index (η = - R/BvdBv/dR) and the poloidal beta. The implications of different empirical scaling laws for the electron energy confinement time are examined. Similar values of ηr (ηr ∼ 0.2) can be obtained for representative ETF/INTOR and ignition test reactor (ITR) parameters. For ηr ∼ 0.2 the effect of radial motion is to reduce the central ion temperature needed for thermal stability from ∼ 50 to ∼ 35 keV if the electron energy confinement time scales as τe ∼ na2; at lower temperatures (central ion temperatures ∼ 10 – 20 keV) , the thermal runaway time is increased by a factor ∼ 2 to 3. It is pointed out that if the plasma edge is determined by some type of limiter at the midplane, small temperature fluctuations can significantly change the plasma minor radius; active burn control may be needed in some reactor designs to prevent unacceptably large radial movement in addition to providing constant plasma pressure and temperature.

日本語訳

点火したD-Tトカマクプラズマにおける径方向運動と温度揺らぎの結合を、一次元輸送モデルに基づいて研究する。エネルギー収支方程式を熱平衡(すなわち点火)点の周りで線形化し、固有値解析を用いて摂動の成長率を決定する。密度の動力学が比較的遅い場合、成長する固有モードは高々一つであることが分かる。温度摂動の成長率と径方向運動の程度は、径方向運動の弾性を表すパラメータηr(ηr = T/R dR/dT、ここでRは大半径、Tはプラズマ温度)に依存する。簡単なMHDモデルを用いて、ηrの垂直磁場指数(η = - R/Bv dBv/dR)およびポロイダルベータに対する依存性を決定する。電子エネルギー閉じ込め時間に関する異なる経験則の影響を調べる。代表的なETF/INTORおよび点火試験炉(ITR)パラメータに対して、同様のηr値(ηr ∼ 0.2)が得られる。ηr ∼ 0.2の場合、径方向運動の効果は、熱安定性に必要な中心イオン温度を∼ 50 keVから∼ 35 keVへ低下させる。ただし、これは電子エネルギー閉じ込め時間がτe ∼ na²に従ってスケーリングする場合である。より低い温度(中心イオン温度∼ 10 – 20 keV)では、熱暴走時間は約2〜3倍に増加する。プラズマ端が赤道面における何らかのリミッターによって決定される場合、小さな温度揺らぎがプラズマ小半径を有意に変化させ得ることが指摘される。したがって、一部の炉設計では、プラズマ圧力と温度を一定に維持することに加えて、許容できないほど大きな径方向移動を防ぐために、能動的な燃焼制御が必要となる可能性がある。

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