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Hybrid guiding-centre/full-orbit simulations in non-axisymmetric magnetic geometry exploiting general criterion for guiding-centre accuracy

D Pfefferlé, J P Graves, W A Cooper2015年Plasma Physics and Controlled FusionIF 2.2出版社

To identify under what conditions guiding-centre or full-orbit tracing should be used, an estimation of the spatial variation of the magnetic field is proposed, not only taking into account gradient and curvature terms but also parallel currents and the local shearing of field-lines. The criterion is derived for general three-dimensional magnetic equilibria including stellarator plasmas. Details are provided on how to implement it in cylindrical coordinates and in flux coordinates that rely on the geometric toroidal angle. A means of switching between guiding-centre and full-orbit equations at first order in Larmor radius with minimal discrepancy is shown. Techniques are applied to a MAST (mega amp spherical tokamak) helical core equilibrium in which the inner kinked flux-surfaces are tightly compressed against the outer axisymmetric mantle and where the parallel current peaks at the nearly rational surface. This is put in relation with the simpler situation B(x, y, z) = B0[sin(kx)ey + cos(kx)ez], for which full orbits and lowest order drifts are obtained analytically. In the kinked equilibrium, the full orbits of NBI fast ions are solved numerically and shown to follow helical drift surfaces. This result partially explains the off-axis redistribution of neutral beam injection fast particles in the presence of MAST long-lived modes (LLM).

日本語訳

磁場の空間変化の評価が提案されており、案内中心追跡または完全軌道追跡のどちらを使用すべきかの条件を特定するものである。この評価は、勾配および曲率項だけでなく、平行電流と磁力線の局所的な剪断も考慮に入れている。この基準は、ステラレータープラズマを含む一般的な三次元磁気平衡に対して導出される。円筒座標および幾何学的トロイダル角に依存するフラックス座標における実装方法の詳細が提供される。ラーモア半径の一次までにおいて、案内中心方程式と完全軌道方程式の間の乖離を最小限に抑える切替方法が示される。これらの手法は、MAST(メガアンペア球状トカマク)のヘリカルコア平衡に適用される。この平衡では、内部のキンクしたフラックス面が外部の軸対称マントルに強く圧縮され、平行電流がほぼ有理面でピークに達する。この状況は、より単純な場合であるB(x, y, z) = B0[sin(kx)ey + cos(kx)ez]と関連づけられ、この場合には完全軌道と最低次のドリフトが解析的に得られる。キンクした平衡において、NBI高速イオンの完全軌道は数値的に解かれ、ヘリカルドリフト面に従うことが示される。この結果は、MASTの長寿命モード(LLM)の存在下でのNBI高速粒子のオフアクシス再分布を部分的に説明するものである。

装置

mast中精度(概要文一致)
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