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Explaining the lack of power degradation of energy confinement in wide pedestal quiescent H-modes via transport modeling

Saeid Houshmandyar, K.H. Burrell, B.A. Grierson, J. McClenaghan, G.M. Staebler, C. Chrystal, M.R. Halfmoon, D.R. Hatch, L. Zeng, M.E. Austin2022年被引用 1Nuclear FusionIF 3出版社

Wide pedestal quiescent H (WPQH)-mode is an attractive scenario for future burning plasmas as they operate without ELMs. WPQH is characterized by formation of a wider and higher pedestal (than quiescent H-mode), and broadband fluctuations in the pedestal. Unlike conventional H-modes, where the energy confinement time reduces with increasing heating power, the WPQH plasmas reported in this paper do not show power degradation of the energy confinement. As the injected neutral beam power was increased, reduced core (ρ ⩽ 0.45) transport calculated by transp, as well as increased core temperatures, pressure gradient and diamagnetic E × B shear rate were observed. The reduction in the heat transport and rapid decrease in the ion temperature gradient scale length suggest the formation of an ion internal transport barrier (ITB) that was accompanied by increased stored energy in the core. Quasilinear turbulent transport modeling using the trapped gyro Landau fluid (tglf) code was used to predict the ITB and its turbulence stability properties. By using profiles and equilibria produced by matching the transp transport fluxes with the tglf transport model within the tgyro transport solver, the energy confinement time captures the experimentally observed insensitivity to the increased PNBI. Linear stability analysis reveals that drift-wave instabilities in the core are stabilized by E × B shear, Ti/Te ratio and Shafranov shift; the latter was found to have the strongest effect on the turbulence suppression at the highest heating level.

日本語訳

ワイドペデスタル静穏Hモード(WPQHモード)は、ELMを伴わずに動作するため、将来の燃焼プラズマにとって魅力的なシナリオである。WPQHモードは、(静穏Hモードと比較して)より広く高いペデスタルの形成と、ペデスタルにおける広帯域揺動を特徴とする。加熱パワーの増大に伴ってエネルギー閉じ込め時間が減少する従来のHモードとは異なり、本論文で報告するWPQHモードプラズマでは、パワー劣化によるエネルギー閉じ込め時間の減少は見られない。中性粒子ビーム加熱パワーを増加させると、transpによって計算されたコア(ρ ≤ 0.45)の輸送が低減し、コア温度、圧力勾配、およびE × Bシア速度が増加した。熱輸送の低減とイオン温度勾配スケール長の急激な減少は、コアの蓄積エネルギーの増加を伴うイオン内部輸送障壁(ITB)の形成を示唆している。準線形輸送モデリングとして、tglfコードを用いた捕捉粒子ジャイロ流体モデルにより、ITBとその乱流安定性を予測した。transpの輸送フラックスとtgyro輸送ソルバー内のtglf輸送モデルを整合させて得られたプロファイルと平衡を用いることで、エネルギー閉じ込め時間は、中性粒子ビーム加熱パワー増大に対する実験的に観測された非感受性を再現した。線形安定性解析により、コアのドリフト波不安定性はE × Bシア、Ti/Te比、およびシャフラノフシフトによって安定化されることが明らかになった。特に、最高加熱レベルにおける乱流抑制には、シャフラノフシフトが最も強い効果を持つことが見出された。

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PedestalEnergy confinement
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