The stability of ballooning modes at the plasma edge of Stellarator fusion reactors is a major concern, considered a severe limiting factor of the device performance, particularly for low magnetic shear configurations based on quasi-isodynamic symmetry magnetic traps, restricting the maximum thermal β of the operation scenarios. The present analysis is dedicated to study the core density collapses (CDCs) observed in Large Helical Device (LHD), a hard MHD limit relaxation caused by the destabilization of high n ballooning modes at the plasma edge, leading to the collapse of the plasma pressure and the LHD performance deterioration. A set of simulations are performed using the code FAR3d to reproduce the CDC. Linear simulations calculate unstable high n ballooning modes at the plasma edge (n > 17, n the toroidal mode number and m the poloidal mode number) consistent with the ballooning modes observed in the experiment. Nonlinear simulations show the inner-middle plasma () is destabilized due to an inverse energy cascade from the saturating high n ballooning modes towards middle and low n modes as well as the thermal plasma. The energy transfer towards the thermal plasma during the high-middle ballooning modes saturation leads to the distortion of the plasma flux surfaces at the plasma periphery, inducing a flattening of the pressure profile. Likewise, the pressure gradient at the plasma core enhances causing the destabilization of low n modes, consistent with the instability inward propagation and the m = 1 perturbation measured during the CDC. The analysis indicates the deterioration of the LHD performance may be caused by an intense distortion of the magnetic surfaces by the saturating middle n ballooning modes and m = 1 perturbation between the inner-middle plasma, leading to a wide region of stochastic magnetic fields generated by reconnection processes.
ステラレーター核融合炉のプラズマ端部におけるバルーニングモードの安定性は主要な懸念事項であり、特に準等動力学的対称性磁気トラップに基づく低磁気シア配位において、運転シナリオの最大熱ベータを制限する、装置性能の深刻な制限要因と考えられている。本解析は、大型ヘリカル装置(LHD)で観測されたコア密度崩壊(CDC)を研究することを目的とする。これは、プラズマ端部での高nバルーニングモードの不安定化によって引き起こされ、プラズマ圧力の崩壊とLHD性能の劣化をもたらす、ハードMHD限界の緩和である。CDCを再現するために、コードFAR3dを用いた一連のシミュレーションが実行される。線形シミュレーションは、実験で観測されたバルーニングモードと一致する、プラズマ端部での不安定な高nバルーニングモード(n > 17、nはトロイダルモード数、mはポロイダルモード数)を計算する。非線形シミュレーションは、飽和する高nバルーニングモードから中・低nモードおよび熱プラズマへの逆エネルギーカスケードにより、内側-中間プラズマ () が不安定化されることを示す。高-中間バルーニングモードの飽和中の熱プラズマへのエネルギー移動は、プラズマ外周部のプラズマ磁束面の歪みを引き起こし、圧力分布の平坦化を誘起する。同様に、プラズマコアの圧力勾配は増大し、低nモードの不安定化を引き起こす。これは、不安定性の内方伝播およびCDC中に測定されたm = 1摂動と一致する。解析は、LHD性能の劣化が、飽和する中nバルーニングモードと内側-中間プラズマ間のm = 1摂動による磁気面の激しい歪みによって引き起こされる可能性があり、再結合過程によって生成された確率磁場の広い領域をもたらすことを示している。