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Dependence of the L- to H-mode power threshold on toroidal rotation and the link to edge turbulence dynamics

G.R. McKee, P. Gohil, D.J. Schlossberg, J.A. Boedo, K.H. Burrell, J.S. deGrassie, R.J. Groebner, R.A. Moyer, C.C. Petty, T.L. Rhodes2009年被引用 71Nuclear FusionIF 3出版社

The injected power required to induce a transition from L-mode to H-mode plasmas is found to depend strongly on the injected neutral beam torque and consequent plasma toroidal rotation. Edge turbulence and flows, measured near the outboard midplane of the plasma (0.85 < r/a < 1.0) on DIII-D with the high-sensitivity 2D beam emission spectroscopy (BES) system, likewise vary with rotation and suggest a causative connection. The L–H power threshold in plasmas with the ion ∇B drift directed away from the X-point decreases from 4–6 MW with co-current beam injection, to 2–3 MW near zero net injected torque and to <2 MW with counter-injection in the discharges examined. Plasmas with the ion ∇B drift directed towards the X-point exhibit a qualitatively similar though less pronounced power threshold dependence on rotation. 2D edge turbulence measurements with BES show an increasing poloidal flow shear as the L–H transition is approached in all conditions. As toroidal rotation is varied from co-current to balanced in L-mode plasmas, the edge turbulence changes from a uni-modal character to a bi-modal structure, with the appearance of a low-frequency (f = 10–50 kHz) mode propagating in the electron diamagnetic direction, similar to what is observed as the ion ∇B drift is directed towards the X-point in co-rotating plasmas. At low rotation, the poloidal turbulence flow near the edge reverses prior to the L–H transition, generating a significant poloidal flow shear that exceeds the measured turbulence decorrelation rate. This increased poloidal turbulence velocity shear appears to facilitate the L–H transition. No such reversal is observed in high rotation plasmas. The high-frequency poloidal turbulence velocity spectrum exhibits a transition from a geodesic acoustic mode zonal flow to a higher-power, lower frequency zero-mean-frequency zonal flow as rotation varies from co-current to balanced during a torque scan at constant injected neutral beam power, perhaps also facilitating the L–H transition. This reduced power threshold at lower toroidal rotation may benefit inherently low-rotation plasmas such as ITER.

日本語訳

LモードからHモードプラズマへの遷移を誘起するために必要な入射パワーは、入射中性粒子ビームトルクとそれに伴うプラズマのトロイダル回転に強く依存することが見出された。DIII-Dにおいて高感度2次元ビーム放射分光(BES)システムを用いてプラズマの外側中平面近傍(0.85 < r/a < 1.0)で測定された端部乱流と流れもまた、回転とともに変化し、因果関係を示唆している。イオン∇BドリフトがX点から離れる方向を向いたプラズマにおけるL–Hパワー閾値は、同方向ビーム入射では4–6 MWから、正味入射トルクがほぼゼロでは2–3 MWへ、そして調査した放電における逆方向入射では<2 MWへと減少する。イオン∇BドリフトがX点に向かう方向を向いたプラズマは、質的には同様であるが、それほど顕著ではないパワー閾値の回転依存性を示す。BESによる2次元端部乱流測定は、すべての条件においてL–H遷移に近づくにつれてポロイダル流れのシアが増加することを示している。Lモードプラズマにおいてトロイダル回転が同方向からバランス状態へと変化するにつれて、端部乱流は単峰性の特性から二峰性の構造へと変化し、電子反磁性方向に伝播する低周波数(f = 10–50 kHz)モードが出現する。これは、イオン∇BドリフトがX点に向かう方向を向いた同方向回転プラズマで観測されるものと類似している。低回転時には、端部近傍のポロイダル乱流流れがL–H遷移の前に反転し、測定された乱流デコリレーション率を超える有意なポロイダル流れシアを生成する。この増加したポロイダル乱流速度シアはL–H遷移を促進するように見える。高回転プラズマではそのような反転は観測されない。高周波数のポロイダル乱流速度スペクトルは、一定の入射中性粒子ビームパワーでのトルク走査中に回転が同方向からバランス状態へと変化するにつれて、測地線音響モードの帯状流から、より高パワーで低周波数のゼロ平均周波数帯状流への遷移を示し、これもまたL–H遷移を促進している可能性がある。低いトロイダル回転でのこの低減されたパワー閾値は、ITERのような本質的に低回転のプラズマにとって有益であり得る。

装置

diii-d低精度(概要文一致)iter低精度(概要文一致)

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H-modeToroidal rotationEdge turbulence
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