We have identified a robust grassy-edge localized mode (ELM) operation regime for future tokamak reactors. The regime exists within a pedestal top electron collisionality (ν*) window at high global poloidal beta (βp). The existence of an upper ν* limit for grassy-ELMs is consistent with results previously reported in experiments (Oyama et al 2010 Nucl. Fusion50 064014), while the existence of a lower ν* limit has not been reported previously. Using EPED and BOUT + +, a theoretical model that quantitatively explains the physics of the grassy-ELMs within the window, which distinguishes them from the small mixed-ELMs at lower ν*, is presented for the first time. A peeling-ballooning stability boundary is obtained by scanning the operating density space. The change in density corresponds to a change in ν* that affects the pedestal bootstrap current. High βp leads to a strong Shafranov shift, which affects the flux surface averaged pressure drive. The two effects combine to create a peeling-dominated window in intermediate ν* buffered by ballooning-dominated regimes. Only the peeling-dominated regime shows a cyclic behavior in the perturbed pressure during the nonlinear simulation of an ELM crash, reminiscent of grassy-ELM dynamics. Similarly, the energy released across the separatrix is demonstrated to be significantly smaller. The quick recovery of the ELM crash is explainable by the rapid rise of a low n kink-peeling instability when the pedestal current Iped exceeds a threshold at high βp. It minimizes the excursion beyond marginal stability and is absent in the ballooning-dominated regime. Comparison with recent experiments over a range of βp and ν* strongly supports the physical picture proposed by the modeling.
我々は、将来のトカマク炉のための堅牢なグラッシー・エッジ局在モード (ELM) 運転領域を特定した。この領域は、高い全ポロイダルベータ (βp) におけるペデスタル頂部電子衝突度 (ν*) の窓の中に存在する。グラッシーELMに対するν*の上限の存在は、実験で以前に報告された結果 (Oyama et al 2010 Nucl. Fusion50 064014) と一致するが、ν*の下限の存在はこれまで報告されていない。EPED と BOUT++ を用いて、窓内のグラッシーELMの物理を定量的に説明し、それらをより低いν*における小さな混合ELMと区別する理論モデルが初めて提示される。ピーリング・バルーニング安定性境界は、運転密度空間を走査することによって得られる。密度の変化は、ペデスタル・ブートストラップ電流に影響を与えるν*の変化に対応する。高いβpは強いシャフラノフシフトをもたらし、それが磁束面平均圧力駆動に影響を与える。これら二つの効果が組み合わさって、バルーニング支配領域によって緩衝された中間のν*におけるピーリング支配領域を生み出す。ピーリング支配領域のみが、ELMクラッシュの非線形シミュレーション中に、グラッシーELMの動態を思わせる摂動圧力の周期的挙動を示す。同様に、セパラトリクスを横切って放出されるエネルギーは有意に小さいことが実証される。ELMクラッシュの急速な回復は、高いβpにおいてペデスタル電流Ipedが閾値を超えたときの低nキンク・ピーリング不安定性の急速な成長によって説明可能である。それは臨界安定性を超える逸脱を最小化し、バルーニング支配領域には存在しない。広範囲のβpとν*にわたる最近の実験との比較は、モデリングによって提案された物理的描像を強く支持する。