The phenomenon of the redistribution of neutral beam fast ions due to magnetohydrodynamic (MHD) activity in plasma has been observed on many tokamaks and more recently has been a focus of research on MAST (Turnyanskiy et al 2013 Nucl. Fusion53 053016). n = 1 fishbone modes are observed to cause a large decrease in the neutron emission rate indicating the existence of a significant perturbation of the fast-ion population in the plasma. Theoretical work on fishbone modes states that the fast-ion distribution itself acts as the source of free energy driving the modes that cause the redistribution. Therefore a series of experiments have been carried out on MAST to investigate a range of plasma densities at two neutral-beam power levels to determine the region within this parameter space in which fishbone activity and consequent fast-ion redistribution is suppressed. Analysis of these experiments shows complete suppression of fishbone activity at high densities with increasing activity and fast-ion redistribution at lower densities and higher neutral-beam power, accompanied by strong evidence that the redistribution effect primarily affects a specific region in the plasma core with a weaker effect over a wider region of the plasma. The results also indicate the existence of correlations between gradients in the modelled fast-ion distribution function, the amplitude and growth rate of the fishbone modes, and the magnitude of the redistribution effect. The same analysis has been carried out on models of MAST-Upgrade baseline plasma scenarios to determine whether significant fast-ion redistribution due to fishbone modes is likely to occur in that device. A simple change to the neutral-beam injector geometry is proposed which is shown to have a significant mitigating effect in terms of the fishbone mode drive and is therefore expected to allow effective plasma heating and current drive over a wider range of plasma conditions in MAST-Upgrade.
中性ビーム高速イオンが磁気流体力学（MHD）活動によって再分布する現象は、多くのトカマク装置で観測されており、近年ではMASTにおける研究の焦点となっている（Turnyasti et al 2013 Nucl. Fusion 53 053016）。n = 1フィッシュボーン・モードは、中性子放出率の大幅な低下を引き起こすことが観測されており、これはプラズマ中の高速イオン集団に有意な摂動が存在することを示している。フィッシュボーン・モードに関する理論的研究によれば、高速イオン分布そのものが、再分布を引き起こすモードを駆動する自由エネルギーの源となっている。そこで、MASTにおいて、2つの中性ビーム出力レベルでプラズマ密度を変化させた一連の実験を実施し、このパラメータ空間内でフィッシュボーン活動とそれに伴う高速イオン再分布が抑制される領域を特定した。これらの実験の解析により、高密度ではフィッシュボーン活動が完全に抑制され、低密度かつ高中性ビーム出力では活動が増大し高速イオン再分布が生じることが示された。さらに、再分布効果が主にプラズマコアの特定領域に影響を及ぼし、プラズマのより広い領域では弱い影響しか及ぼさないという強力な証拠が得られた。また、モデル化された高速イオン分布関数の勾配と、フィッシュボーン・モードの振幅および成長率と、再分布効果の大きさとの間に相関関係が存在することも示された。同様の解析は、MAST-Upgradeのベースライン・プラズマシナリオのモデルにも適用され、当該装置においてフィッシュボーン・モードによる有意な高速イオン再分布が発生する可能性が検討された。その結果、中性ビーム入射器の幾何学的配置を単純に変更することが提案され、この変更がフィッシュボーン・モード駆動の観点から有意な緩和効果をもたらすことが示された。したがって、この変更により、MAST-Upgradeにおいてより広範なプラズマ条件で効果的なプラズマ加熱と電流駆動が可能になると期待される。