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Energetic particle loss mechanisms in reactor-scale equilibria close to quasisymmetry

E.J. Paul, A. Bhattacharjee, M. Landreman, D. Alex, J.L. Velasco, R. Nies2022年被引用 17Nuclear FusionIF 3出版社

Collisionless physics primarily determines the transport of fusion-born alpha particles in 3D equilibria. Several transport mechanisms have been implicated in stellarator configurations, including stochastic diffusion due to class transitions, ripple trapping, and banana drift-convective orbits. Given the guiding center dynamics in a set of six quasihelical and quasiaxisymmetric equilibria, we perform a classification of trapping states and transport mechanisms. In addition to banana drift convection and ripple transport, we observe substantial non-conservation of the parallel adiabatic invariant which can cause losses through diffusive banana tip motion. Furthermore, many lost trajectories undergo transitions between trapping classes on longer time scales, either with periodic or irregular behavior. We discuss possible optimization strategies for each of the relevant transport mechanisms. We perform a comparison between fast ion losses and metrics for the prevalence of mechanisms such as banana-drift convection (Velasco et al 2021 Nucl. Fusion61 116059), transitioning orbits, and wide orbit widths. Quasihelical configurations are found to have natural protection against ripple-trapping and diffusive banana tip motion leading to a reduction in prompt losses.

日本語訳

無衝突物理は、3次元平衡における核融合生成アルファ粒子の輸送を主に決定する。いくつかの輸送機構がステラレーター配位において関与していることが示されており、それにはクラス遷移による確率拡散、リップル捕捉、バナナドリフト対流輸送が含まれる。6つの準ヘリカルおよび準軸対称平衡におけるガイドセンター力学を考慮し、我々は捕捉状態と輸送機構の分類を行う。バナナドリフト対流およびリップル輸送に加えて、我々は平行断熱不変量の顕著な非保存を観測する。これはバナナ先端運動の拡散を通じて損失を引き起こし得る。さらに、多くの損失軌道は、周期的または不規則な挙動を伴いながら、より長い時間スケールで捕捉クラス間を遷移する。我々は、それぞれの関連する輸送機構に対する最適化戦略について議論する。我々は、高速イオン損失と、バナナドリフト対流(Velasco et al 2021 Nucl. Fusion61 116059)、遷移軌道、および広いバナナ幅などの機構の存在度を示す指標との間の比較を行う。準ヘリカル配位は、リップル捕捉および拡散的バナナ先端運動に対して自然な保護を有することが見出され、即時損失の低減をもたらす。

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