In preparation for next step burning plasma devices such as ITER, experimental studies of instabilities and confinement of energetic ions were performed on Joint European Torus (JET) and on Mega-Amper Spherical Tokamak (MAST) with innovative diagnostic techniques, in conventional and shear-reversed plasmas, exploring a wide range of effects for energetic ions. A compendium of recent results testing capabilities of the present-day facilities for burning plasma relevant study is presented in this paper. 'Alpha tail' production using 3rd harmonic ion-cyclotron resonance heating (ICRH) of 4He beam ions has been employed on JET for studying 4He of the megaelectronvolt energy range in a 'neutron-free' environment. The evolution of ICRH-accelerated ions of 4He with E ⩾ 1.7 MeV and D with E ⩾ 500 keV was assessed from nuclear gamma-ray emission born by the fast ions colliding with Be and C impurities. A simultaneous measurement of spatial profiles of fast 4He and fast D ions relevant to ITER was performed for the first time in positive and strongly reversed magnetic shear discharges. Time-resolved gamma-ray diagnostics for ICRH-accelerated 3He and H minority ions allowed changes in the fast ion distribution function to be assessed in the presence of unstable toroidal Alfvén eigenmodes (TAEs) and sawteeth. A significant decrease of gamma-ray intensity from protons with E ⩾ 5 MeV was detected during the 'tornado' modes. This was interpreted as 'tornado'-induced loss of fast ions with the drift orbit width, Δf, comparable to the minor radius of tokamak a. Experiments performed in the opposite case, Δf/a ≪ 1, for ICRH-accelerated 3He ions with E ⩾ 500 keV, have shown excitation of numerous Alfvén eigenmodes without a significant degradation of the fast ion confinement. The stabilizing effect of fast particles on 'monster' sawteeth was experimentally found to fail in low-density plasmas with high power ion cyclotron resonance frequency (ICRF)-heating. The transition from the 'monster' to short-period 'grassy' sawteeth was investigated with different ICRF phasing, which controls the pinch-effect and radial distribution of ICRF-accelerated ions. Instabilities excited by super-Alfvénic beam ions were investigated on the spherical tokamak MAST. Due to higher values of β and a higher proportion of fast ions on MAST than on JET, a wider variety of modes and nonlinear regimes for the Alfvén instabilities were observed, including the explosive TAE-regimes leading to the formation of hole-clump pairs on the fast ion distribution function. The MAST and START data showed that TAE and chirping modes decrease both in their mode amplitudes and in the number of unstable modes with increasing β.
次世代の燃焼プラズマ装置であるITERに向けた準備として、高エネルギーイオンの不安定性と閉じ込めに関する実験研究が、JET（ジョイント・ヨーロピアン・トーラス）およびMAST（メガアンペア球状トカマク）において、先進的な診断技術を用いて、通常磁気シアおよび反転磁気シアのプラズマ中で実施され、高エネルギーイオンの多様な効果が探求された。本論文では、燃焼プラズマに関連する現有能力を検証する最近の研究成果の集成を提示する。JETにおいては、4Heビームイオンの第3高調波イオンサイクロトロン共鳴加熱（ICRH）を用いた「アルファ粒子テール」の生成が、メガ電子ボルト（MeV）エネルギー領域の4Heを「中性子フリー」環境で研究するために採用された。E ⩾ 1.7 MeVのICRH加速4HeイオンおよびE ⩾ 500 keVの重水素（D）イオンの時間発展は、高速イオンとベリリウム（Be）および炭素（C）不純物との核反応から生じるガンマ線放出によって評価された。ITERに関連する高速4Heイオンと高速Dイオンの空間分布の同時測定は、正磁気シアおよび強反転磁気シア放電において初めて実施された。ICRH加速3Heおよび水素（H） minorityイオンに対する時間分解ガンマ線診断により、不安定なトロイダルアルヴェン固有モード（TAE）および鋸歯状振動の存在下での高速イオン分布関数の変化を評価することが可能となった。E ⩾ 5 MeVの陽子からのガンマ線強度の有意な減少が「トルネード」モード中に検出され、これはドリフト軌道幅Δfがトカマクの小半径aと同程度（Δf/a ≪ 1ではない）である高速イオンの「トルネード」モードによる損失として解釈された。一方、Δf/a ≪ 1の条件下で実施されたE ⩾ 500 keVのICRH加速3Heイオンを用いた実験では、多数のアルヴェン固有モードの励起が観測されたものの、高速イオンの閉じ込めの有意な劣化は見られなかった。「モンスター」鋸歯状振動に対する高速粒子の安定化効果は、高パワーICRF加熱を伴う低密度プラズマにおいて実験的に破綻することが見出された。「モンスター」鋸歯状振動から短周期の「グラッシー」鋸歯状振動への遷移は、ICRF位相制御（ピンチ効果とICRF加速イオンの動径分布を制御する）を変化させて調査された。超アルヴェン速度ビームイオンによって励起される不安定性は、球状トカマクMASTにおいて研究された。MASTではJETと比較してβ値が高く、高速イオンの割合も大きいため、アルヴェン不安定性のより多様なモードと非線形レジームが観測され、高速イオン分布関数におけるホール・クランプ対の形成を伴う爆発的TAEレジームも含まれた。MASTおよびSTARTのデータは、βの増加に伴い、TAEおよびチャーピングモードの振幅と不安定モード数の両方が減少することを示した。