Magnetohydrodynamic (MHD) stability at tokamak edge pedestal in a quiescent H-mode (QH-mode) and type-I ELMy H-mode plasmas in DIII-D experiment was analyzed by considering plasma rotation and ion diamagnetic drift effects. QH-mode plasma is marginally stable to kink/peeling mode (K/PM), but ELMy H-mode one is almost unstable to peeling-ballooning mode (PBM). It was identified that there are three physics features responsible for the difference in the MHD stability properties between QH-mode plasma and ELMy H-mode one. These are the distance of pedestal foot from the last closed flux surface (LCFS), the amount of the ion diamagnetic drift frequency at pedestal, and impact of coupled rotation and ion diamagnetic drift effects. These features were confirmed through the numerical experiments that the stability properties of the QH-mode plasma can be changed to that of the ELMy H-mode one by shifting the plasma profiles inward in the radial direction and halving the ion diamagnetic drift frequency. The reasons of the change in the stability properties are thought as that K/PM is stabilized due to the inward shift of the bootstrap current profile, and PBM is destabilized due to the reduction of the coupled rotation and ion diamagnetic drift stabilizing effect. Importance of these features was validated through numerical experiments with experimental data of other QH-mode plasmas in DIII-D. All the results show that MHD stability properties of QH-mode plasma can be obtained in case that pedestal foot is close to LCFS, ion diamagnetic drift frequency is large due to high ion temperature, and strong rotation shear exists near pedestal.
DIII-D実験における静穏Hモード(QHモード)およびタイプI ELMy Hモードプラズマのトカマク周辺ペデスタルにおける磁気流体力学(MHD)安定性を、プラズマ回転とイオン反磁性ドリフト効果を考慮して解析した。QHモードプラズマはキンク/ピーリングモード(K/PM)に対して限界安定であるが、ELMy Hモードプラズマはピーリング・バルーニングモード(PBM)に対してほぼ不安定である。QHモードプラズマとELMy Hモードプラズマの間のMHD安定性特性の差異をもたらす3つの物理的特徴があることが特定された。これらは、最終閉鎖磁気面(LCFS)からのペデスタル裾の距離、ペデスタルにおけるイオン反磁性ドリフト周波数の大きさ、および回転とイオン反磁性ドリフトの結合効果の影響である。これらの特徴は、プラズマ分布を径方向内側にシフトさせ、イオン反磁性ドリフト周波数を半分にすることにより、QHモードプラズマの安定性特性がELMy Hモードプラズマのそれに変化し得るという数値実験を通じて確認された。安定性特性の変化の理由は、K/PMがブートストラップ電流分布の内側シフトによって安定化され、PBMが回転とイオン反磁性ドリフトの結合安定化効果の低減によって不安定化されるためであると考えられる。これらの特徴の重要性は、DIII-Dにおける他のQHモードプラズマの実験データを用いた数値実験により検証された。すべての結果は、ペデスタル裾がLCFSに近く、高いイオン温度のためにイオン反磁性ドリフト周波数が大きく、ペデスタル近傍に強い回転シアが存在する場合に、QHモードプラズマのMHD安定性特性が得られることを示している。