This work presents the impact that multiple island chains co-existent across a tokamak plasma profile have on the heat transport and final temperature of that plasma. Numerical studies using the TM1 code show that error fields (EFs) with multiple poloidal components accelerate the core field penetration compared to pure m/ n = 2/1 EF penetration (here m and n are the poloidal and toroidal mode numbers respectively). After field penetration, locked magnetic islands of 2/1, 3/1 and 4/1 flatten the temperature at the corresponding rational surfaces. The co-existence of these islands significantly enhances the plasma heat transport throughout a wide swath of plasma from the core 2/1 rational surface to plasma edge. The electron temperature profile from 2/1 to 4/1 rational surfaces can be nearly flattened even if there is no island overlap, and the temperature inside each island is determined by the boundary temperature at the outboard separatrix of the island. The resulting central decreases by more than 50%, in good agreement with experimental observations and much lower than modeling with only a single 2/1 locked island. Further comparisons of the profile between numerical modeling and DIII-D experiment indicates that the observed reduction in the edge temperature requires edge island overlap and stochasticity. Numerical scans reveal the profile decreases further when large EF amplitudes create larger islands, wider edge stochastic regions and secondary island structures. Scans of the relative phase between EF harmonics reveal that the 3/1 island width is most sensitive to the island phase and the central changes with the 3/1 island width. These results indicate that the coexistence of multiple LMs in tokamak plasmas deteriorate thermal confinement more than the sum of their isolated impacts would and that this may be responsible for the fast thermal quench observed prior to major disruptions.
本稿は、トカマクプラズマのプロファイル全体にわたって共存する複数の磁気島鎖が、そのプラズマの熱輸送と最終温度に及ぼす影響を示すものである。TM1コードを用いた数値研究は、複数のポロイダル成分を持つ誤差磁場(EF)が、純粋なm/n = 2/1 EF浸透と比較して、コア磁場浸透を加速することを示す(ここでmとnはそれぞれポロイダルモード数とトロイダルモード数である)。磁場浸透後、2/1、3/1、4/1のロックト磁気島が対応する有理面上の温度を平坦化する。これらの島の共存は、コアの2/1有理面からプラズマ端までの広い範囲のプラズマ全体にわたって、プラズマ熱輸送を著しく増強する。2/1から4/1有理面までの電子温度プロファイルは、島の重なりがなくてもほぼ平坦化され得る。また、各島内部の温度は、その島の外側セパラトリクスにおける境界温度によって決定される。結果として生じる中心温度は50%以上低下し、実験観測とよく一致しており、単一の2/1ロックト島のみを用いたモデリングよりもはるかに低い。プロファイルに関する数値モデリングとDIII-D実験とのさらなる比較は、観測された端部温度の低下が端部島の重なりとストカスティシティを必要とすることを示している。数値スキャンは、大きなEF振幅がより大きな島、より広い端部ストカスティック領域、および二次島構造を生成すると、プロファイルがさらに低下することを明らかにする。EF高調波間の相対位相のスキャンは、3/1島幅が島位相に最も敏感であり、中心温度が3/1島幅とともに変化することを明らかにする。これらの結果は、トカマクプラズマにおける複数のLMの共存が、それぞれの単独の影響の合計よりも熱閉じ込めを悪化させ、これが大規模ディスラプションに先立って観測される高速熱クエンチの原因となり得ることを示している。