Alpha particle confinement is crucial for sustaining burning plasmas and designing future reactor concepts. Along with classical/prompt losses, various magnetohydrodynamic instabilities can lead to wave-particle interactions which can transport alpha particles outward from the plasma. This can result in a reduction in plasma heating/performance, and, at worst, damage in-vessel components. Joint European Torus’s recent deuterium–tritium campaigns in 2021–2023 have produced numerous alpha particle loss measurements with its scintillator probe and Faraday cup array fast ion loss detectors as discussed in Bonofiglo et al (2024 Nucl. Fusion64 096038). This paper will report on integrated energetic particle transport modeling in support of those measurements. The modeling is accomplished with the TRANSP and ORBIT-kick codes with the use of recently developed reduced models which calculate mode structure, amplitude, and the evolving dynamics. When possible, constraints and comparisons to experiment are conducted. Case studies are performed on a variety of magnetohydrodynamic activity, including: fishbones, tearing modes (TMs), and sawtooth crashes. Additionally, a special case of an alpha-driven toroidal Alfvén eigenmode is briefly discussed, where modeling showed marginally weak alpha losses and was unable to support experimental observations. Coupled effects between a TM and toroidal field ripple are presented and were unable to replicate the observations in lost particle pitch but did duplicate the localized flattening of the measured neutron profile. Additional modeling results compare the magnitude of losses and energy/velocity-space sensitivities against experimental observations/measurements for each scenario. This work corroborates numeric alpha transport modeling while also identifying model deficiencies. While this report details alpha transport, it also presents open issues for discussion in assessing the validity of our numerical models towards burning plasmas.
アルファ粒子の閉じ込めは、燃焼プラズマの維持と将来の炉概念の設計にとって極めて重要である。古典的/即時損失に加えて、様々な電磁流体力学不安定性が波-粒子相互作用を引き起こし、アルファ粒子をプラズマから外側へ輸送し得る。これはプラズマ加熱/性能の低下を引き起こし、最悪の場合、容器内機器を損傷させる可能性がある。Joint European Torusにおける2021年から2023年までの最近の重水素–トリチウムキャンペーンでは、Bonofiglo et al (2024 Nucl. Fusion64 096038)で議論されているように、シンチレータプローブとファラデーカップアレイ高速イオン損失検出器を用いて多数のアルファ粒子損失測定が行われた。本論文は、これらの測定を支援する統合的高エネルギー粒子輸送モデリングについて報告する。モデリングは、モード構造、振幅、および時間発展する動力学を計算する最近開発された低次元モデルを用いて、TRANSPおよびORBIT-kickコードによって達成される。可能な場合には、実験への制約と比較が実施される。ケーススタディは、フィッシュボーン、ティアリングモード(TM)、および鋸歯状波クラッシュを含む様々な電磁流体力学活動に対して実施される。さらに、アルファ粒子駆動トロイダル・アルフヴェン固有モードの特別なケースについて簡単に議論する。そこでは、モデリングはわずかに弱いアルファ粒子損失を示し、実験観測を裏付けることができなかった。TMとトロイダル磁場リップルの連成効果が提示され、失われた粒子のピッチ角における観測を再現することはできなかったが、測定された中性子プロファイルの局所的な平坦化は再現した。追加のモデリング結果は、各シナリオについて、損失の大きさとエネルギー/速度空間感度を実験観測/測定値と比較する。この研究は、数値アルファ粒子輸送モデリングを裏付けると同時に、モデルの欠陥も特定する。本報告書はアルファ粒子輸送を詳述する一方で、燃焼プラズマに対する我々の数値モデルの妥当性を評価する際の議論のための未解決の問題も提示する。