This paper studies the effect of 3D magnetic perturbations (MPs) on fast-ion confinement, and its impact on the toroidal rotation velocity profile. Two low collisionality H-mode experiments carried out at the ASDEX Upgrade tokamak have been analysed. The two discharges feature different magnetic field helicity (q95), and differences in the velocity-space and level of fast-ion losses are observed. A new analysis technique has been developed that sheds light on the dependencies between fast-ion losses and toroidal rotation, providing for the first time correlation patterns resolved in radius and velocity space of the lost fast-ions. The correlation intensifies towards the plasma edge and is strongly dependent on the orbit topology of the lost fast-ions. The ASCOT orbit following code has been used to characterize the fast-ion resonant transport and beam driven torques, using the vacuum approach and including plasma response (PR). The change of the toroidal canonical momentum, which serves as figure of merit for resonant fast-ion transport, has been calculated with ASCOT. The beam geometry and q95 are found to have a strong impact on the fast-ion transport and losses. The fast-ion transport induced by the MPs affects the beam driven torques. The effect of the changes of the j × B and collisional torques on plasma rotation is analysed using the torques simulated by ASCOT and simple momentum balance calculations. For the low q95 = 3.8 discharge, which benefits from a resonant amplification, we find excellent agreement with the measured variation of the toroidal velocity. For the high q95 = 5.5 discharge, the inclusion of the PR improves the comparison with experimental data with respect to the vacuum estimation, but still some differences with experiments are observed. This suggests that other non-resonant effects could play a role for the determination of the toroidal rotation profile.
本論文は、3次元磁気摂動(MP)が高速イオン閉じ込めに及ぼす影響と、そのトロイダル回転速度分布への影響を研究するものである。ASDEX Upgradeトカマクで実施された2つの低衝突度Hモード実験を解析した。これら2つの放電は異なる磁場ヘリシティ(q95)を特徴とし、高速イオン損失の速度空間分布とその大きさに差異が観測された。高速イオン損失とトロイダル回転の間の依存関係を解明する新しい解析手法が開発され、損失した高速イオンの半径および速度空間で分解された相関パターンが初めて得られた。この相関はプラズマ端部に向かって強まり、損失した高速イオンの軌道トポロジーに強く依存する。ASCOT軌道追跡コードを用いて、真空近似およびプラズマ応答(PR)を含む場合の両方で、高速イオンの共鳴輸送とビーム駆動トルクを特徴付けた。共鳴高速イオン輸送の良さの指標となるトロイダル正準運動量の変化をASCOTで計算した。ビーム形状とq95が高速イオン輸送と損失に強い影響を与えることが見出された。MPによって誘起される高速イオン輸送はビーム駆動トルクに影響を及ぼす。j × Bトルクと衝突トルクの変化がプラズマ回転に及ぼす影響を、ASCOTでシミュレーションしたトルクと単純な運動量バランス計算を用いて解析した。共鳴増幅の利点がある低いq95 = 3.8の放電では、測定されたトロイダル速度の変化と優れた一致が見られた。高いq95 = 5.5の放電では、PRを含めることで真空近似による推定と比較して実験データとの一致が改善されるが、実験との間には依然としていくつかの差異が観測される。これは、トロイダル回転分布の決定において、他の非共鳴効果が役割を果たす可能性を示唆している。