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A comparative study of internal kink stability in EU DEMO designs with negative and positive triangularity

Lina Zhou, Yueqiang Liu, Mattia Siccinio, Emiliano Fable, Tingting Wu, Taina Kurki-Suonio, Jari Varje, Deyong Liu2021年Plasma Physics and Controlled FusionIF 2.2出版社

Internal kink (IK) instability is investigated for European demonstration fusion reactor (EU DEMO) plasmas in both negative triangularity (NT) and positive triangularity (PT) configurations. For NT plasmas, the IK becomes more unstable as an ideal conformal wall moves away from the plasma boundary, with the mode growth rate saturating at the wall radial location of about , where a is the plasma minor radius and b the wall radial location. The plasma resistivity destabilizes the IK mode. The effect of sub-sonic toroidal plasma flow is sufficiently weak and can thus be ignored for these EU DEMO equilibria. These results are consistent with those for PT plasmas, albeit with larger mode growth rate in the NT configuration. Both perturbative and self-consistent magneto-hydrodynamic (MHD)-kinetic hybrid calculations predict (partial) stabilization of the IK modes in both NT and PT configurations, with inclusion of various kinetic contributions. Precessional drift motion of trapped fusion-born alphas in EU DEMO produces weak stabilization to the IK mode. Stronger stabilization occurs with the toroidal precession of trapped thermal particles (ions and electrons) and the bounce-transit motion of thermal ions. The stabilization is similar between the NT and PT configurations, due to the similarity of the mode eigenfunction (occupying a nearly circular region in the plasma core) despite the sign difference in the triangularity. The non-perturbative MHD-kinetic hybrid model predicts much less stabilization of the mode than the perturbative model, primarily due to the self-consistent determination of the mode eigenvalue in the former. Generally, no significant difference in the IK mode stability is found between the NT and PT plasmas in EU DEMO.

日本語訳

内部キンク(IK)不安定性を、負の三角形度(NT)および正の三角形度(PT)の両配位における欧州核融合炉(EU DEMO)プラズマについて調査した。NTプラズマでは、理想的な共形壁がプラズマ境界から離れるにつれてIKはより不安定になり、モード成長率は壁の半径方向位置が約のところで飽和する。ここで、aはプラズマ半径、bは壁の半径方向位置である。プラズマ抵抗率はIKモードを不安定化させる。亜音速トロイダルプラズマ流の効果は十分に弱く、したがってこれらのEU DEMO平衡に対しては無視できる。これらの結果はPTプラズマの結果と一致するが、NT配位ではモード成長率がより大きい。摂動的および自己無撞着な電磁流体力学(MHD)-運動論的ハイブリッド計算の両方は、様々な運動論的寄与を含めることにより、IKモードの(部分的な)安定化を予測する。閉じ込められた核融合生成アルファ粒子の歳差運動ドリフトは、IKモードに対して弱い安定化をもたらす。より強い安定化は、閉じ込められた熱粒子(イオンおよび電子)のトロイダル歳差運動と熱イオンのバウンス-トランジット運動によって生じる。安定化は、三角形度の符号の違いにもかかわらずモード固有関数の類似性(プラズマコア内のほぼ円形領域を占める)により、NT配位とPT配位の間で類似している。非摂動的MHD-運動論的ハイブリッドモデルは、主に前者におけるモード固有値の自己無撞着な決定により、摂動的モデルよりもはるかに少ない安定化を予測する。一般に、EU DEMOにおけるNTプラズマとPTプラズマの間でIKモード安定性に有意な差は見られない。

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DEMOTriangularityInternal kink mode
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