We report the numerical analyses of the linear magnetohydrodynamics (MHD) plasma response to applied three-dimensional magnetic perturbations (MPs) in a joint DIII-D/EAST collaboration on high-βP (poloidal beta) plasmas, utilizing the extended-MHD code M3D-C1, with the purpose of gaining a better understanding of the existing experiment in which n = 3 MPs were applied to such high-βP plasmas attempting to control large-amplitude type-I edge-localized modes (ELMs). These high-βP plasmas obtained at the DIII-D tokamak feature an upper-biased double-null configuration, a high edge safety factor q95 ∼ 6.4, and a stable internal transport barrier (ITB), leading to relatively high core pressures. Single-fluid simulations show that the plasma response to n = 3 MPs, including both non-resonant/kinking and resonant components, is significantly weaker than that to n = 1 or 2 MPs. To survey the impact of q95 on the plasma response to applied MPs, the self-consistent equilibrium-generating workflow for analysis module, developed in the OMFIT integrated modeling framework, is employed to generate a series of equilibria with a wide range of q95, while other key parameters, including the normalized beta, electron density at the pedestal top, and plasma shape, are kept fixed. Compared to the vacuum response, single-fluid M3D-C1 simulations predict a much more significant decrease in resonant plasma response to the applied n = 3 MPs at the maximum penetration radii as q95 increases. In contrast to single-fluid simulation results, showing that resonant penetration occurs only near the pedestal top where the E × B toroidal rotation frequency is zero, two-fluid simulations show two comparable resonant penetrations located near the pedestal top and the ITB foot, where the perpendicular electron rotation frequency is zero. Such resonant field penetration near the ITB foot may be responsible for the observed formation of a staircase structure in both the electron density and temperature profiles, and thereby a considerable deterioration in the global plasma performance, when MPs are applied in high-βP plasmas. Motivated by this numerical work, we provide some ideas for future research, with the purpose of realizing effective ELM control in such high-βP plasmas in the DIII-D and EAST devices.
我々は、DIII-D/EAST共同研究における高β_p（ポロイダルベータ）プラズマへの印加3次元磁気摂動（MP）に対する線形MHDプラズマ応答の数値解析を報告する。この研究では、拡張MHDコードM3D-C1を用いて、大きな振幅のI型ELM（周辺局在モード）を制御する目的でn=3のMPが印加された高β_pプラズマに対する既存の実験の理解を深めることを目的とする。DIII-Dトカマクで得られたこれらの高β_pプラズマは、上部バイアス型ダブルヌル配位、高い端部安全係数q95 ∼ 6.4、および安定な内部輸送障壁（ITB）を特徴とし、比較的高いコア圧力をもたらす。単流体シミュレーションは、n=3のMPに対するプラズマ応答が、非共鳴（キンク）成分と共鳴成分の両方を含めて、n=1またはn=2のMPに対する応答よりも有意に弱いことを示す。q95がプラズマ応答に及ぼす影響を調査するために、OMFIT統合モデリングフレームワークで開発された自己無撞着な平衡生成モジュールを用いて、他の主要パラメータ（規格化ベータ、ペデスタル頂部の電子密度、プラズマ形状）を固定したまま、広範囲のq95にわたる一連の平衡を生成した。真空応答と比較して、単流体M3D-C1シミュレーションは、q95の増加に伴い、印加n=3 MPに対する共鳴プラズマ応答の最大侵入半径での減少がより顕著であることを予測する。単流体シミュレーション結果（共鳴侵入がE×Bトロイダル回転周波数がゼロとなるペデスタル頂部付近でのみ発生）とは対照的に、二流体シミュレーションは、垂直電子回転周波数がゼロとなるペデスタル頂部とITB底部の両方の近傍に、同等の大きさの2つの共鳴侵入領域を示す。ITB底部近傍でのこのような共鳴磁場侵入は、高β_pプラズマにMPを印加した際に観測される電子密度および温度分布の両方における階段状構造の形成と、それに伴う全体のプラズマ性能の著しい劣化の原因である可能性がある。この数値研究に動機づけられ、DIII-DおよびEAST装置における高β_pプラズマでの効果的なELM制御を実現するための今後の研究課題についていくつかの提案を行う。