Initial tests on the National Spherical Torus Experiment Upgrade (NSTX-U) (Menard et al 2012 Nucl. Fusion 083015) device suggest that introducing energy selectivity for sawtooth induced fast ion redistribution is required to improve the agreement between experimental and simulated quantities such as neutron rate and Fast-Ion D-Alpha profiles. The aim of this work is to assess the requirements to properly describe the behaviour of fast ions during a sawtooth crash for predictive sawtooth simulations. As the first step, in this work, we use the particle-following Orbit code to characterize the redistribution of fast particles. In order for a sawtooth crash to be simulated, a spatial and temporal displacement is implemented into the Orbit code. The perturbation amplitude is determined by comparison with experimental measurement of the neutron rate drop. The characteristics of fast ions with different orbit types are investigated in phase and real space. Due to a sawtooth crash, fast ion energy and angular momentum are modified resulting in the redistribution in phase space and orbit type change. The redistribution of fast ions in real space shows that the sawtooth instability brings different effect on fast particles with different orbit types as observed in experiments. The initial interpretative Transp simulation using the so-called kick model based on the Orbit modeling result shows an improvement of fast ion redistribution before and after a sawtooth crash but the neutron rate still has discrepancy compared to the experimental measurement.
国立球状トーラス実験装置アップグレード（NSTX-U）（Menard et al 2012 Nucl. Fusion 083.021）における初期試験結果は、鋸歯状振動による高速イオン再分布に対してエネルギー選択性を導入することが、中性子率や高速イオンDαプロファイルなどの実験値とシミュレーション値の一致を改善するために必要であることを示唆している。本研究の目的は、予測的鋸歯状振動シミュレーションのために、鋸歯状振動クラッシュ中の高速イオンの挙動を適切に記述するために必要な要件を評価することである。第一段階として、本研究では粒子追跡コードORBITを用いて高速粒子の再分布の特性評価を行う。鋸歯状振動クラッシュをシミュレートするために、空間的および時間的変位がORBITコードに実装される。摂動振幅は、中性子率低下の実験測定値との比較によって決定される。異なる軌道タイプを持つ高速イオンの特性が、位相空間および実空間において調査される。鋸歯状振動クラッシュにより、高速イオンのエネルギーと角運動量が変化し、その結果、位相空間における再分布と軌道タイプの変化が生じる。実空間における高速イオンの再分布は、鋸歯状振動不安定性が異なる軌道タイプの高速粒子に対して異なる影響を及ぼすことを示しており、これは実験観測と一致する。ORBITモデリング結果に基づくいわゆるキックモデルを用いた予備的TRANSPシミュレーションは、鋸歯状振動クラッシュ前後における高速イオン再分布の改善を示すが、中性子率は依然として実験測定値との差異を示している。