To better understand the sawteeth physics and the sawtooth-free regime associated with the hybrid scenario in tokamak experiments, numerical calculations up to quasi-steady state have been carried out for realistic middle-size tokamak plasma parameters, including the bootstrap current perturbation and basing on both the single- and two-fluid equations with the large aspect ratio approximation. Two types of the sawtooth crash are found in multiple sawteeth simulations: (1) For a low equilibrium bootstrap current fraction, the crash is caused by the internal kink mode, as expected; (2) When the bootstrap current density fraction is larger than 10% in the core region, however, the crash is caused by the non-ideal double kink mode, in contrary to the conventional understanding. In this case, a non-monotonic radial profile of the safety factor with two surfaces emerges before the crash, caused by the bootstrap current density and plasma resistivity perturbations, although the original equilibrium has only single q = 1 surface. In both types of sawtooth crashes, the crash time in two-fluid simulations is tens of microseconds, as observed in experiments. Furthermore, for a relatively low ion density and finite bootstrap current density fraction, a transition from the sawtooth to the sawtooth-free regime is found, in which flat profiles with the value being about unity in the central region, similar to that observed in hybrid scenario experiments, are maintained by the dynamo effect. To enter into the sawtooth-free regime in two-fluid simulations, a much larger Alfvén velocity than that in single-fluid simulations is required due to the diamagnetic drift.
トカマク実験におけるハイブリッドシナリオに関連する鋸歯状振動の物理と鋸歯状振動のない状態をよりよく理解するために、大アスペクト比近似を用いた単一流体方程式と二流体方程式の両方に基づき、ブートストラップ電流摂動を含む現実的な中型トカマクプラズマパラメータについて、準定常状態までの数値計算を実施した。複数の鋸歯状振動シミミュレーションにおいて、2種類の鋸歯状振動クラッシュが見つかった。(1) 平衡ブートストラップ電流割合が低い場合、クラッシュは予想通り内部キンクモードによって引き起こされる。(2) しかしながら、コア領域におけるブートストラップ電流密度割合が10%より大きい場合、クラッシュは従来の理解に反して、非理想的な二重キンクモードによって引き起こされる。この場合、元の平衡が単一のq=1面のみを持つにもかかわらず、クラッシュ前に、ブートストラップ電流密度とプラズマ抵抗率の摂動によって引き起こされる、2つのq=1面を持つ安全係数qの非単調な径方向分布が現れる。両方のタイプの鋸歯状振動クラッシュにおいて、二流体シミミュレーションでのクラッシュ時間は、実験で観測されるように、数十マイクロ秒である。さらに、比較的低いイオン密度と有限のブートストラップ電流密度割合に対して、鋸歯状振動から鋸歯状振動のない状態への遷移が見つかる。この状態では、中心領域でq値が約1である平坦なq分布が、ハイブリッドシナナリオ実験で観測されるものと同様に、ダイナモ効果によって維持される。二流体シミミュレーションで鋸歯状振動のない状態に入るためには、反磁性ドリフトのため、単一流体シミミュレーションにおけるよりもはるかに大きなアルフヴェン速度が必要である。