Recent experiments have demonstrated that a high separatrix density and a large ratio of separatrix density to pedestal top density are two crucial conditions for achieving high confinement operation with small edge localized modes (ELMs). In order to identify the underlying physics of this phenomenon, a series of equilibria with different separatrix and pedestal top densities are constructed, and their peeling–ballooning (P–B) instabilities are analyzed through simulation. It is found that there is a threshold value of pedestal top density which comes from competition between ion inertia and diamagnetic effect, and ELM energy loss can be minimized at the threshold value for a fixed separatrix density. When the pedestal top density is smaller than the threshold value, the ion inertial effect induced by the density profile has a significant influence on the growth of ELMs, resulting in an increased linear growth rate and more ELM energy loss by trigging low-n modes (n being the toroidal mode number) in the nonlinear phase. When the pedestal top density is larger than the threshold value, the diamagnetic effect is the main factor determining the mode spectrum, which moves to the high-n region with a larger growth rate and the nonlinear ELM energy loss increases. However, for a fixed pedestal top density, a larger separatrix density leads to a wider mode spectrum with a smaller growth rate; thus ELM energy loss is reduced. The results of this research provide a new mechanism, namely that the P–B mode is possibly transferred to a resistive ballooning mode, to interpret the experimental findings during high pedestal density operation.
最近の実験により、高いセパラトリクス密度と、セパラトリクス密度に対するペデスタル頂部密度の大きな比が、小さな周辺局在モード（ELM）を伴う高閉じ込め運転を達成するための2つの重要な条件であることが実証されている。この現象の背後にある物理を特定するために、異なるセパラトリクス密度およびペデスタル頂部密度を持つ一連の平衡状態を構築し、それらのピーリング・バルーニング（P–B）不安定性をシミュレーションにより解析した。その結果、イオン慣性と反磁性効果の競合に由来するペデスタル頂部密度の閾値が存在し、固定されたセパラトリクス密度に対して、ELMエネルギー損失はその閾値において最小化され得ることが見出された。ペデスタル頂部密度が閾値より小さい場合、密度分布によって誘起されるイオン慣性効果がELMの成長に有意な影響を及ぼし、線形成長率の増大と、非線形位相における低次モード（nはトロイダルモード数を表す）の励起によるELMエネルギー損失の増加をもたらす。ペデスタル頂部密度が閾値より大きい場合、反磁性効果がモードスペクトルを決定する主要因子となり、モードスペクトルはより大きな成長率を伴う高次領域へ移動し、非線形ELMエネルギー損失は増加する。しかしながら、固定されたペデスタル頂部密度に対しては、より大きなセパラトリクス密度がより小さな成長率を伴うより広いモードスペクトルをもたらし、それによりELMエネルギー損失は低減される。本研究の結果は、高ペデスタル密度運転中の実験的知見を解釈するための新たなメカニズム、すなわちP–Bモードが抵抗性バルーニングモードへ移行する可能性があることを提供する。