Large-amplitude edge-localized modes (ELMs) are a major concern in the development of tokamak fusion energy. According to the peeling–ballooning theoretical model, effective current drive in the pedestal region of high-confinement (H-mode) tokamak plasmas can alter the current profile in this region and hence affect ELM instabilities. Using ray-tracing and Fokker–Planck quasilinear codes, effective and localized current drive by electron cyclotron (EC) waves in the H-mode pedestal region is studied in this paper. Numerical investigations are performed under present-day medium-sized tokamaks with an aspect ratio (A = R/a) covering a typical range of [2.7, 4.0]. Localized non-inductive current can be generated effectively by the Ohkawa mechanism of EC waves in the low-electron collisionality H-mode pedestal region. The Ohkawa mechanism-dominated current drive (OKCD) is much more effective than traditional electron cyclotron current drive (ECCD), which is the Fisch–Boozer mechanism-dominated one. Under 1–2 MW EC power, the current density of both co-OKCD and counter-OKCD has the same magnitude as edge bootstrap current density, which is calculated using the Sauter model. However, edge ECCD is much smaller than the bootstrap current. Consequently, the use of edge ECCD to control ELM failed in experiments, and only the EC heating can affect ELM behavior. Simulations on OKCD are performed in the H-mode pedestal region of realistic DIII-D tokamak plasma, and the results also support the above conclusions. The dependence of effective edge OKCD on the ratio of magnetic field and EC frequency is also found in tokamaks with a typical aspect ratio range. This work opens up a new possible field for active control of ELMs (triggering or suppressing an ELM) by edge current drive in present-day medium-sized tokamaks.
大振幅のエッジ局在モード（ELM）は、トカマク核融合エネルギー開発における主要な懸念事項である。ピーリング・バルーニング理論モデルによれば、高閉じ込め（Hモード）トカマクプラズマのペデスタル領域における効果的な電流駆動は、この領域の電流分布を変化させ、それによってELM不安定性に影響を与える可能性がある。本論文では、レイトレーシングおよびフォッカー・プランク準線形コードを用いて、Hモードペデスタル領域における電子サイクロトロン（EC）波による効果的かつ局所的な電流駆動を研究する。数値計算は、アスペクト比（A = R/a）が典型的な範囲[2.7, 4.0]をカバーする現在の中型トカマクを対象として実施される。低衝突周波数のHモードペデスタル領域において、EC波の大川機構により局所的な非誘導電流を効果的に生成できることが示される。大川機構が支配的な電流駆動（OKCD）は、フィッシュ・ボッツァー機構が支配的な従来の電子サイクロトロン電流駆動（ECCD）よりもはるかに効果的である。1〜2 MWのECパワーにおいて、コ方向およびカウンター方向の両方のOKCDの電流密度は、サウター模型を用いて計算されたエッジブートストラップ電流密度と同程度の大きさを持つ。一方、エッジECCDはブートストラップ電流よりもはるかに小さい。その結果、エッジECCDを用いたELM制御は実験的に失敗したが、EC加熱のみがELM挙動に影響を与えることができる。OKCDのシミュレーションは、現実的なDIII-DトカマクプラズマのHモードペデスタル領域で実施され、その結果も上記の結論を支持している。典型的なアスペクト比範囲を有するトカマクにおいて、磁場とEC周波数の比に対する効果的なエッジOKCDの依存性も見出されている。本研究は、現在の中型トカマクにおけるエッジ電流駆動によるELMの能動制御（ELMのトリガーまたは抑制）の新たな可能性を開くものである。