The stability of α-particle driven shear Alfvén eigenmodes (AE) for nominal burning plasma (BP) parameters in the proposed international tokamak experimental reactor (ITER), fusion ignition research experiment (FIRE) and IGNITOR tokamaks is studied. JET plasma, where fusion αs were generated in tritium experiments, is also studied to compare the numerical predictions with the existing experiments. An analytic assessment of toroidal AE (TAE) stability is first presented, where the α-particle β due to the fusion reaction rate and electron drag is simply and accurately estimated in plasmas with central temperature in the range of 7–20 keV. In this assessment the hot particle drive is balanced against ion-Landau damping of the background deuterons, and electron collision effects and stability boundaries are determined. Then two numerical studies of AE instability are presented. In one, the HIgh-n STability (HINST) code is used to predict the instabilities of low and moderately high frequency Alfvén modes. HINST computes the non-perturbative solutions of the AE including effects of ion finite Larmor radius, orbit width, trapped electrons etc. The stability calculations are repeated using the global code NOVAK. We show that for these plasmas the spectrum of the least stable AE modes is at medium-/high-n numbers. In HINST, TAEs are locally unstable due to the α pressure gradient in all the devices under consideration except IGNITOR. However, NOVAK calculations show that the global mode structure enhances the damping mechanisms and produces stability for the nominal FIRE proposal and near-marginal stability for the nominal ITER proposal. NBI ions produce a strong stabilizing effect for JET. However, in ITER, the beam energies needed to penetrate to the core must be high (∼1 MeV) so that a diamagnetic drift frequency comparable to that of α-particles is produced by the beam ions which induces a destabilizing effect. A serious question remains whether the perturbation theory used in NOVAK overestimates the stability predictions, so that it is premature to conclude that the nominal operation of all three BP proposals without neutral beam injection are stable (or marginally stable) to AEs.
α粒子駆動のシア・アルフヴェン固有モード(AE)の安定性を、提案されている国際熱核融合実験炉(ITER)、核融合点火研究実験(FIRE)、IGNITORトカマクにおける公称燃焼プラズマ(BP)パラメータについて研究した。また、トリチウム実験で核融合α粒子が生成されたJETプラズマについても、数値予測を既存の実験と比較するために研究した。まず、トロイダルAE(TAE)安定性の解析的評価を示す。ここでは、核融合反応率と電子抗力によるα粒子ベータ値を、中心温度7〜20 keVの範囲のプラズマにおいて単純かつ正確に推定する。この評価では、高温粒子駆動を背景重陽子のイオン・ランダウ減衰と釣り合わせ、電子衝突効果と安定性境界を決定する。次に、AE不安定性の2つの数値的研究を示す。1つは、HIgh-n STability(HINST)コードを用いて、低周波数および中程度の高周波数アルフヴェンモードの不安定性を予測するものである。HINSTは、イオンの有限ラーマー半径、軌道幅、捕捉電子などの効果を含むAEの非摂動解を計算する。安定性計算は、グローバルコードNOVAKを用いても繰り返した。これらのプラズマでは、最も安定性の低いAEモードのスペクトルが中・高n数にあることを示す。HINSTでは、対象とする全装置において、IGNITORを除き、α圧力勾配によりTAEが局所的に不安定である。しかし、NOVAK計算では、グローバルモード構造が減衰機構を増強し、公称FIRE提案では安定性を、公称ITER提案ではほぼ限界安定性を生じることが示された。NBIイオンはJETに対して強い安定化効果を生じる。しかし、ITERでは、コアまで到達するために必要なビームエネルギーが高い(約1 MeV)ため、ビームイオンによってα粒子と同等の反磁性ドリフト周波数が生じ、これが不安定化効果を誘起する。NOVAKで用いられている摂動理論が安定性予測を過大評価している可能性が残っており、3つのBP提案すべての公称運転がAEに対して安定(または限界安定)であると結論付けるのは時期尚断である。