We present observations, numerical simulations, and analysis from experiments in the Lithium Tokamak Experiment-Beta (LTX-β) in which the electron temperature profile (Te(r)) shifts from flat to peaked and a tearing mode is also destabilized when the average density (neave) exceeds ∼1019 m−3. Flat Te(r) is obtained routinely in LTX-β, with a lithium coated, low-recycling first wall, once the external fueling is stopped and density decays [Boyle et al 2023 Nucl. Fusion 63 056020]. In the present experiment, flat Te profiles can be sustained while maintaining constant neave below a line averaged density threshold (neaveth) of ∼1019 m−3. Above neaveth, Te(r) shifts from flat to peaked and a tearing mode is destabilized. Due to low recycling, the achieved neave can be controlled precisely by external fueling and hence, a certain threshold of the edge neutral inventory from the external fueling is experimentally manifested through neaveth. The goal of the present work is to investigate the role of edge neutrals in determining Te(r) and MHD stability in the unique low-recycling regime of LTX-β. Our hypothesis is that the peaking of Te(r) beyond neaveth is due ultimately to the edge cooling by the cold neutrals beyond a critical fueling flux. At lower fueling flux, flat Te(r) results in broader pressure profile and lower resistivity, which in turn stabilizes the tearing mode. This hypothesis is supported by edge neutral density estimation by DEGAS 2 code. Mode analysis by singular value decomposition confirms the tearing mode structure to be m/n = 2/1 (m and n being the poloidal and toroidal mode numbers). Linear tearing stability analysis with M3D-C1 predicts that plasmas with neave> 1019 are highly susceptible to a n = 1 tearing mode. ORBIT simulations, however, confirmed that the tearing modes do not contribute to the loss of fast ions from neutral beam injection. This study shows for the first time that the neutral inventory at the edge could be one of the deciding factors for the achievability of the unique operation regime of flat Te(r) and the excitation of tearing activity that could be disruptive for the plasmas.
我々は、リチウムトカマク実験ベータ（LTB-β）において、電子温度分布（Te(r)）が平坦からピーク状へと遷移し、さらに平均密度（neave）が約10¹⁹ m⁻³を超えるとテアリングモードが不安定化する実験結果について、観測、数値シミュレーション、および解析を提示する。LTB-βでは、リチウムコーティングされた低リサイクリング第一壁の条件下で、外部ガス入射を停止し密度が減衰すると、平坦なTe(r)が定常的に得られる［Boyleら 2023 Nucl. Fusion 63 056020］。今回の実験では、平均密度neaveを約10¹⁹ m⁻³の線平均密度閾値以下に維持することで、平坦なTe分布を保持できることが示された。neaveがこの閾値を超えると、Te(r)は平坦からピーク状へと遷移し、テアリングモードが不安定化する。低リサイクリング環境では、達成されるneaveは外部ガス入射によって精密に制御可能であり、したがって外部ガス入射に由来する周辺中性粒子量の特定の閾値が、neaveを通じて実験的に顕在化する。本研究の目的は、LTB-βの特異な低リサイクリング領域において、周辺中性粒子がTe(r)およびMHD安定性を決定する役割を解明することである。我々の仮説は、neaveが閾値を超えた際のTe(r)のピーク化は、臨界ガス入射フラックスを超えた冷たい中性粒子による周辺冷却に起因するというものである。ガス入射フラックスが低い場合、平坦なTe(r)はより広がった圧力分布とより低い抵抗率をもたらし、結果としてテアリングモードを安定化する。この仮説は、DEGAS 2コードによる周辺中性粒子密度評価によって支持される。特異値分解によるモード解析は、テアリングモードの構造がm/n = 2/1（mはポロイダルモード数、nはトロイダルモード数）であることを確認する。M3D-C1による線形テアリング安定性解析は、neaveが10¹⁹ m⁻³を超えるプラズマがn = 1テアリングモードに対して高い感受性を示すことを予測する。しかしながら、ORBITシミュレーションは、テアリングモードが中性粒子ビーム入射からの高速イオン損失に寄与しないことを確認した。本研究は、周辺中性粒子インベントリが、平坦なTe(r)という特異な運転領域の実現可能性と、プラズマにとって破壊的となり得るテアリング活動の励起を決定する要因の一つであることを初めて示すものである。