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Simulation of toroidicity-induced Alfven eigenmode excited by energetic ions in HL-2A tokamak plasmas

Hongda He, Junyi Cheng, J.Q. Dong, Wenlu Zhang, Chenxi Zhang, Jinxia Zhu, Ruirui Ma, T. Xie, G.Z. Hao, A.P. Sun2018年Nuclear FusionIF 3出版社

The toroidicity-induced Alfven eigenmode (TAE) excited by energetic (fast) ions was first simulated using the GTC code for HL-2A experiments. The simulation results indicate that the fraction of energetic ions is about 3% in the experiments. The critical density of energetic ions to excite the TAE mode is around 0.023, which is in good agreement with the theoretical expectation of 0.026. The real frequency of TAE with toroidal mode number n  =  3 is around 211 kHz and is inversely proportional to the square root of electron density, which is quantitatively in agreement with the experimental observation (Ding et al 2013 Nucl. Fusion53 043015). The frequency is in resonance with the summations of toroidal precession frequency and transit frequency of passing energetic ions, indicating that resonance with passing energetic ions is dominant for the excitation of the modes in the experiment. It is also checked by the phase space structures of (strength of energetic particle distribution function) that the TAE modes are mainly induced by passing energetic ions in HL-2A. The growth rates of TAE modes increase with fast ion density and its gradient. In addition, lower n TAE modes, such as n  =  1 can also be driven by energetic ions when off-axis heating with higher beam energy is employed in the experiment. The width of radial mode structures for lower n modes is usually wider than those for higher n modes. The perpendicular wave vector of the modes and Larmor radius of ions satisfy the relation . Finally, the polarization of the mode shows that the perturbed parallel electric field is much smaller than the electrostatic parallel electric field.

日本語訳

トロイダル性誘起アルヴェン固有モード(TAE)が高エネルギーイオンによって励起される現象は、HL-2A実験に対してGTCコードを用いて初めてシミュレーションされた。シミュレーション結果は、実験における高エネルギーイオンの割合が約3%であることを示している。TAEモードを励起するための高エネルギーイオンの臨界密度は約0.023であり、これは理論的予測値0.026と良好な一致を示している。トロイダルモード数n=3のTAEの実周波数は約211kHzであり、電子密度の平方根に反比例する。これは実験観測(Dingら 2013 Nucl. Fusion53 015015)と定量的に一致している。この周波数は、高エネルギーイオンのトロイダル歳差周波数と通過周波数の和と共鳴しており、実験におけるモード励起には高エネルギーイオンの通過共鳴が支配的であることを示している。また、高エネルギーイオン分布関数の位相空間構造の検証により、HL-2AにおけるTAEモードは主に高エネルギーイオンによって励起されることが確認された。TAEモードの成長率は、高エネルギーイオン密度およびその勾配とともに増加する。さらに、より低いトロイダルモード数(例えばn=1)のTAEモードも、より高いビームエネルギーを用いたオフアクシス加熱時に高エネルギーイオンによって励起され得る。低いモード数の場合、動径方向のモード構造の幅は一般に広くなる。モードの垂直波数とイオンのラーモア半径の間には関係が成り立つ。最後に、モードの分極特性は、摂動された平行電場が静電的な平行電場よりもはるかに小さいことを示している。

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Alfvén waveEnergetic ionAlfvén eigenmodeHL-2A
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