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Runaway electron seed formation at reactor-relevant temperature

C. Paz-Soldan, P. Aleynikov, E.M. Hollmann, A. Lvovskiy, I. Bykov, X. Du, N.W. Eidietis, D. Shiraki2020年被引用 25Nuclear FusionIF 3出版社

Systematic variation of the pre-disruption core electron temperature (Te) from 1 to 12 keV using an internal transport barrier scenario reveals a dramatic increase in the production of 'seed' runaway electrons (REs), ultimately accessing near-complete conversion of the pre-disruption current into sub-MeV RE current. Injected Ar pellets are observed to ablate more intensely and promptly as Te rises. At high Te, the observed ablation exceeds predictions from published thermal ablation models. Simultaneously, the thermal quench (TQ) is observed to significantly shorten with increasing Te—a surprising result. While the reason for the shorter TQ is not yet understood, candidate mechanisms include: insufficiently accurate thermal ablation models, enhanced ablation driven by the seed RE population, or significant parallel heat transport along stochastic fields. Kinetic modeling that self-consistently treats the plasma cooling via radiation, the induced electric field, and the formation of the seed RE is performed. Including the combined effect of the inherent dependence of hot-tail RE seeding on Te together with the shortened TQ, modeling recovers the progression towards near-complete conversion of the pre-disruption current to RE current as Te rises. Measurement of the HXR spectrum during the early current quench (CQ) reveals a trend of decreasing energy with pre-disruption Te. At the very highest Te (≈ 12 keV), ≈ 100% conversion of the thermal current to runaway current is found. The energy of this peculiar RE beam is inferred to be sub-MeV as it emits vanishingly few MeV hard x-rays (HXRs). These measurements demonstrate novel TQ dynamics as Te is varied and illustrate the limitations of treating the RE seed formation problem without considering the inter-related dependencies of the pellet ablation, radiative energy loss, and resultant variations of the TQ duration. If the observed shortening of the TQ with increasing Te extends to fusion-grade plasmas, than their propensity to form large quantities of RE seeds at high Te may be far worse than previously thought. Positively, the high Te scenario in DIII-D produces REs so prodigiously that it can serve as a meaningful new platform for demonstrating RE avoidance techniques.

日本語訳

前破壊時の電子温度(Te)を1〜12 keVの範囲で内部輸送障壁シナリオを用いて系統的に変化させると、「シード」逃走電子(RE)の生成が劇的に増加し、最終的には前破壊時の電流のほぼ完全なサブMeV RE電流への変換が達成されることが明らかになった。注入されたArペレットは、Teの上昇に伴い、より激しくかつ迅速にアブレーションされることが観測された。高Teでは、観測されたアブレーションは公表されている熱アブレーションモデルによる予測を上回る。同時に、熱クエンチ(TQ)はTeの増加に伴い有意に短縮されることが観測された—これは驚くべき結果である。TQ短縮の原因はまだ解明されていないが、候補メカニズムとしては、不十分な精度の熱アブレーションモデル、シードRE集団によるアブレーションの促進、または確率的磁場に沿った顕著な平行熱輸送が含まれる。放射によるプラズマ冷却、誘導電場、およびシードREの形成を自己無撞着に扱う運動論的モデリングを実施した。ホットテールREシーディングのTeに対する本質的な依存性と短縮されたTQを組み合わせることで、モデリングはTeの上昇に伴う前破壊時電流のほぼ完全なRE電流への変換の進行を再現する。初期電流クエンチ(CQ)期間中のHXRスペクトルの測定により、前破壊時Teの増加に伴いエネルギーが減少することが明らかになった。最高Te(≈12 keV)では、熱電流のほぼ100%がRE電流に変換されることが見出された。この特異なREビームのエネルギーはサブMeVであると推定され、MeV硬X線(HXR)の放出は極めて僅かである。これらの測定結果は、Teを変化させた際の新規なTQダイナミクスを実証し、ペレットアブレーション、放射エネルギー損失、および結果として生じるTQ持続時間の変化の相互依存性を考慮せずにREシード形成問題を扱うことの限界を示している。観測されたTQのTeに対する短縮傾向が核融合グレードのプラズマにも及ぶ場合、高Teにおける大規模なREシード形成の傾向は従来の予想よりもはるかに深刻になる可能性がある。肯定的な側面として、DIII-Dにおける高TeシナリオはREを極めて多量に生成するため、RE回避技術を実証するための有意義な新規プラットフォームとして機能し得る。

装置

diii-d低精度(概要文一致)

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Runaway electron
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