The aim of the present study is to analyze the saturation regime of the toroidal Alfven eigenmodes (TAE) in the Large Helical Device plasma, particularly the MHD burst. The linear and nonlinear evolution of the TAEs are simulated by the FAR3d code that uses a reduced MHD model for the thermal plasma coupled with a gyrofluid model for the energetic particle (EP) species. The linear simulations indicate the overlapping of 1/2 − 1/1, 2/3–2/4 and 3/5–3/6 TAEs in the inner-middle plasma region and frequency range of 45–75 kHz, triggered by EPs with an energy of Tf = 45 keV and EP β = 0.022. The nonlinear simulations show that 2/3–2/4 and 3/4–3/5 TAEs are further destabilized due to the energy transfer from the 1/1–1/2 TAE, leading to broad TAE radial overlapping and triggering of the MHD burst. The energy of the 1/1–1/2 TAE is also nonlinearly transferred to the thermal plasma destabilizing the 0/0 and 0/1 modes, inducing the generation of shear flows and zonal currents, as well as large deformations in the thermal pressure and EP density radial profiles. The nonlinear simulation reproduces the same succession of instabilities and the same frequency range with respect to the experiment. The instability propagates outward during the bursting phase, showing a large decrease of the EP density profile between the middle-outer plasma, indicating the loss of part of the EP population that explains the decrease in the plasma heating efficiency observed during the MHD burst.
本研究の目的は、大型ヘリカル装置プラズマにおけるトロイダル・アルフヴェン固有モード(TAE)の飽和領域、特にMHDバーストを解析することである。TAEの線形成長と非線形成長は、熱的プラズマに対する簡約MHDモデルと高エネルギー粒子(EP)種に対するジャイロ流体モデルを連成させたFAR3dコードによってシミュレーションされる。線形シミュレーションは、Tf = 45 keVのエネルギーとEP β = 0.022を持つEPによって励起される1/2 − 1/1、2/3–2/4および3/5–3/6 TAEの、プラズマ内部-中央領域および45〜75 kHzの周波数範囲における重複を示している。非線形シミュレーションは、1/1–1/2 TAEからのエネルギー移動により2/3–2/4および3/4–3/5 TAEがさらに不安定化され、TAEの広範な径方向重複とMHDバーストの発生につながることを示している。1/1–1/2 TAEのエネルギーはまた、0/0および0/1モードを不安定化させる熱的プラズマへ非線形的に移動し、せん断流と帯状電流の生成、ならびに熱圧力とEP密度の径方向分布における大きな変形を誘発する。非線形シミュレーションは、実験と同様の不安定性の連鎖と周波数範囲を再現する。不安定性はバースト位相中に外側へ伝播し、プラズマ中外部領域でのEP密度分布の大きな減少を示す。これは、MHDバースト中に観測されるプラズマ加熱効率の低下を説明するEP集団の一部の損失を示している。