Stationary 3D equilibria can form in fusion plasmas via saturation of magnetohydrodynamic (MHD) instabilities or stimulated by external 3D fields. In these cases the current profile is anomalously broad due to magnetic flux pumping produced by the MHD modes. Flux pumping plays an important role in hybrid tokamak plasmas, maintaining the minimum safety factor above unity and thus removing sawteeth. It also enables steady-state hybrid operation, by redistributing non-inductive current driven near the center by electron cyclotron waves. A validated flux pumping model is not yet available, but it would be necessary to extrapolate hybrid operation to future devices. In this work flux pumping physics is investigated for helical core equilibria stimulated by external 3D fields in DIII-D hybrid plasmas. We show that flux pumping can be produced in a continuous way by an MHD dynamo emf. The same effect maintains helical equilibria in reversed-field pinch (RFP) plasmas. The effective MHD dynamo loop voltage is calculated for experimental 3D equilibrium reconstructions, by balancing Ohm's law over helical flux surfaces, and is consistent with the expected current redistribution. Similar results are also obtained with more sophisticated nonlinear MHD simulations. The same modelling approach is applied to helical RFP states forming spontaneously in RFX-mod as the plasma current is raised above 0.8–1 MA. This comparison allows to identify the underlying physics common to tokamak and RFP: a helical core displacement modulates parallel current density along flux tubes, which requires a helical electrostatic potential to build up, giving rise to a helical MHD dynamo flow.
定常3次元平衡は、核融合プラズマにおいて、磁気流体力学(MHD)不安定性の飽和または外部3次元磁場の印加によって形成され得る。これらの場合、電流分布は、MHDモードによって生成される磁束ポンピングにより異常に平坦化される。磁束ポンピングは、ハイブリッドトカマクプラズマにおいて重要な役割を果たし、最小安全係数を1以上に維持することで、さそり座振動を除去する。また、電子サイクロトロン波によって中心部付近で駆動される非誘導電流を再分布させることにより、定常ハイブリッド運転を可能にする。検証済みの磁束ポンピングモデルはまだ利用可能ではないが、将来の装置へのハイブリッド運転の外挿には必要である。本研究では、DIII-Dハイブリッドプラズマにおいて外部3次元磁場によって励起されるヘリカルコア平衡に対する磁束ポンピングの物理を調査する。我々は、磁束ポンピングがMHDダイナモ起電力によって連続的に生成され得ることを示す。同じ効果は、反転磁場ピンチ(RFP)プラズマにおけるヘリカル平衡を維持する。実効MHDダイナモループ電圧は、実験的な3次元平衡再構成に対して、ヘリカル磁束面上でオームの法則を釣り合わせることによって計算され、期待される電流再分布と一致する。同様の結果は、より洗練された非線形MHDシミュレーションでも得られる。同じモデリング手法は、プラズマ電流が0.8〜1 MAを超えると自発的に形成されるRFX-modのヘリカルRFP状態に適用される。この比較により、トカマクとRFPに共通する基礎物理を特定できる:ヘリカルコア変位が磁束管に沿った平行電流密度を変調し、それによってヘリカル静電ポテンシャルが形成される必要が生じ、ヘリカルMHDダイナモ流が発生する。