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Theory of stochastic diffusion in Wendelstein-line stellarators in the presence of radial electric field

A V Tykhyy, Ya I Kolesnichenko2021年Plasma Physics and Controlled FusionIF 2.2出版社

In optimized stellarators of the Wendelstein line prompt losses of fast ions in superbanana orbits are reduced through a modification of the magnetic configuration by high β (ratio of the plasma pressure to the magnetic field pressure), so that most contours of the longitudinal adiabatic invariant of locally trapped particles are closed inside the plasma volume. However, magnetic drift leads to the transformation of some of these particles into the locally passing ones and vice versa. Orbit transformation upon crossing the separatrix between locally trapped and locally passing states is accompanied by jumps in that lead to collisionless stochastic diffusion (SD), which was shown to be an important mechanism of the loss of energetic ions in the optimized Wendelstein-line stellarators (C D Beidler et al 2001 Phys. Plasmas8 2731). The theory of SD that took into account the phase space asymmetry between locally passing particles with opposite signs of was developed in (A V Tykhyy 2018 Ukr. J. Phys.63(6) 495). This work extends that theory to consider the effect of radial electric field Er on SD. It is found that negative Er of such magnitudes as those observed in W7-X and predicted in Helias reactor can mitigate SD losses from the plasma core of NBI ions in W7-X and α-particles in Helias. This loss mitigation occurs because added drift increases the range of pitch angles for which separatrices are closed inside the plasma volume, even while it increases the SD coefficient. This means that Er can be used in addition to magnetic configuration changes for both loss mitigation and energy deposition profile optimization.

日本語訳

最適化されたWendelstein系列のステラレーターにおいて、スーパーバナナ軌道中の高速粒子の即時損失は、高β(プラズマ圧力と磁場圧力の比)による磁場配位の修正を通じて低減される。これにより、局所捕捉粒子の縦断断熱不変量の等高線の大部分がプラズマ体積内で閉じるようになる。しかしながら、磁気ドリフトにより、これらの粒子の一部は局所捕捉状態から局所通過状態へ、またその逆へと変換される。局所捕捉状態と局所通過状態の間のセパラトリックスを横切る際の軌道変換には、不連続な跳びが伴い、これが無衝突確率拡散(SD)を引き起こす。SDは、最適化されたWendelstein系列のステラレーター(C D Beidler et al 2001 Phys. Plasmas 8 2731)における高エネルギーイオンの損失の重要なメカニズムであることが示されている。逆符号の局所通過粒子間の位相空間非対称性を考慮したSD理論は、(A V Tykhyy 2018 Ukr. J. Phys. 63(6) 495)において展開された。本研究は、この理論を拡張し、径方向電場Erの影響を考察するものである。W7-Xで観測され、Helias反応器で予測されるような大きさの負のErは、W7-XにおけるNBIイオンおよびHeliasにおけるα粒子のプラズマコアからのSD損失を軽減できることが見出された。この損失軽減は、付加されたドリフトが、SD係数を増大させる一方で、プラズマ体積内で閉じるセパラトリックスのピッチ角範囲を拡大するために生じる。これは、Erが損失軽減とエネルギー堆積プロファイル最適化の両方において、磁場配位の変更に加えて利用可能であることを意味する。

装置

wendelstein-7x中精度(概要文一致)

wiki

StellaratorWendelsteinRadial electric field
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