The dynamics of multiple closed flux tubes in the core of a sawtoothing tokamak plasma are studied using nonlinear simulations. This is motivated by recent observations of long-lived hot spots in the electron cyclotron emission (ECE) images of KSTAR plasmas with electron cyclotron heating (ECH) (Yun et al 2012 Phys. Rev. Lett.109 145003). Using an empirical source term in a reduced set of MHD equations, it is shown that flux tubes with helicity h = 1 are easily produced and survive for the observed time intervals only if the safety factor is close to unity (|q − 1| ≪ 0.5%) and the magnetic shear is small (|s| ≪ 1). This suggests that sawteeth in KSTAR leave behind wide regions where q ≈ 1. On the basis of the relevant time scales, we discuss how this magnetic geometry and the spatial localization of the EC resonance may allow ECH to actively induce the formation of flux tubes. Using simulations with q profiles that possess a wide q = 1 region inside the sawtooth inversion radius, we examine how the flux tubes merge and annihilate, and how their dynamics depend on the strength of the drive. The phenomena seen in the simulations and experiments lead us to conclude that, during the sawtooth ramp phase, there is a dynamic competition between sources and sinks of thermal and magnetic energy, where the flux tubes may play an important role; both as carriers of and channels for energy. The development of self-consistent simulation models is motivated and directions for future experiments are given.
複数の閉じた磁束管のダイナミクスを、鋸歯状振動を起こすトカマクプラズマのコア領域において非線形シミュレーションを用いて研究した。これは、電子サイクロトロン加熱（ECH）を伴うKSTARプラズマの電子サイクロトロン放射（ECE）画像において、長寿命のホットスポットが最近観測されたことに動機づけられている（Yun et al 2012 Phys. Rev. Lett.109 145003）。簡約化されたMHD方程式群における経験的ソース項を用いることで、ヘリシティh = 1を持つ磁束管は、安全係数が1に近く（|q − 1| ≪ 0.5%）、かつ磁気シアが小さい（|s| ≪ 1）場合にのみ、容易に生成され、観測された時間間隔にわたって生存することが示された。これは、KSTARにおける鋸歯状振動が、q ≈ 1の広い領域を残すことを示唆している。関連する時間スケールに基づき、この磁気幾何学形状とEC共鳴の空間的局在が、どのようにしてECHが磁束管の形成を能動的に誘発することを可能にするかを議論する。鋸歯状振動の反転半径の内側に広いq = 1領域を持つqプロファイルを用いたシミュレーションにより、磁束管がどのように融合・消滅するか、またそのダイナミクスが駆動の強さにどのように依存するかを調べる。シミュレーションと実験で見られた現象から、鋸歯状振動のランプ位相中には、熱的および磁気的エネルギーのソースとシンクの間に動的な競合が存在し、磁束管がエネルギーの運搬体および経路の両方として重要な役割を果たす可能性があると結論づけられる。自己無撞着なシミュレーションモデルの開発が動機づけられ、今後の実験の方向性が示される。