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The physics of sawtooth stabilization

I T Chapman, S D Pinches, J P Graves, R J Akers, L C Appel, R V Budny, S Coda, N J Conway, M de Bock, L-G Eriksson2007年Plasma Physics and Controlled FusionIF 2.2出版社

Long period sawteeth have been observed to result in low-β triggering of neo-classical tearing modes, which can significantly degrade plasma confinement. Consequently, a detailed physical understanding of sawtooth behaviour is critical, especially for ITER where fusion-born α particles are likely to lead to very long sawtooth periods. Many techniques have been developed to control, and in particular to destabilize the sawteeth. The application of counter-current neutral beam injection (NBI) in JET has resulted in shorter sawtooth periods than in Ohmic plasmas. This result has been explained because, firstly, the counter-passing fast ions give a destabilizing contribution to the n = 1 internal kink mode—which is accepted to be related to sawtooth oscillations—and secondly, the flow shear strongly influences the stabilizing trapped particles. A similar experimental result has been observed in counter-NBI heated plasmas in MAST. However, the strong toroidal flows in spherical tokamaks mean that the sawtooth behaviour is determined by the gyroscopic flow stabilization of the kink mode rather than kinetic effects. In NBI heated plasmas in smaller conventional aspect-ratio tokamaks, such as TEXTOR, the flow and kinetic effects compete to give different sawtooth behaviour. Other techniques applied to destabilize sawteeth are the application of electron cyclotron current drive (ECCD) or ion cyclotron resonance heating (ICRH). In JET, it has been observed that localized ICRH is able to destabilize sawteeth which were otherwise stabilized by a co-existing population of energetic trapped ions in the core. This is explained through the dual rôle of the ICRH in reducing the critical magnetic shear required to trigger a sawtooth crash, and the increase in the local magnetic shear which results from driving current near the q = 1 rational surface. Sawtooth control in ITER could be provided by a combination of ECCD and co-passing off-axis negative-NBI fast ions.

日本語訳

長周期の鋸歯状振動は、低ベータでの新古典テアリングモードのトリガーを引き起こすことが観測されており、これはプラズマ閉じ込めを著しく劣化させる可能性がある。したがって、鋸歯状振動の挙動の詳細な物理的理解が重要であり、特に核融合生成α粒子が非常に長い鋸歯状周期をもたらす可能性があるITERにおいては重要である。鋸歯状振動を制御するため、特に不安定化するために多くの手法が開発されてきた。JETにおける反電流方向の中性粒子ビーム入射(NBI)の適用は、オーミックプラズマよりも短い鋸歯状周期をもたらした。この結果は、第一に、反方向通過の高速イオンがn = 1内部キンクモード(鋸歯状振動に関連すると考えられている)に不安定化の寄与を与え、第二に、流れのシアが安定化捕捉粒子に強く影響するためと説明されている。同様の実験結果が、MASTにおける反NBI加熱プラズマで観測されている。しかしながら、球状トカマクにおける強いトロイダル流は、鋸歯状振動の挙動が運動論的効果ではなく、キンクモードのジャイロスコピック流れ安定化によって決定されることを意味する。TEXTORのような小型の従来型アスペクト比トカマクにおけるNBI加熱プラズマでは、流れと運動論的効果が競合し、異なる鋸歯状振動の挙動をもたらす。鋸歯状振動を不安定化するために適用される他の手法には、電子サイクロトロン電流駆動(ECCD)またはイオンサイクロトロン共鳴加熱(ICRH)の適用がある。JETでは、局所的なICRHが、コア内の共存する高エネルギー捕捉イオン集団によって安定化されていた鋸歯状振動を不安定化できることが観測されている。これは、鋸歯状クラッシュをトリガーするために必要な臨界磁気シアを低減するICRHの二重の役割と、q = 1有理面近傍での電流駆動に起因する局所磁気シアの増加によって説明される。ITERにおける鋸歯状振動の制御は、ECCDと同方向通過のオフアクシス負イオン源NBI高速イオンの組み合わせによって提供され得る。

装置

iter低精度(概要文一致)jet低精度(概要文一致)mast低精度(概要文一致)textor低精度(概要文一致)

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Sawtooth oscillation
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