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Cause and impact of low-frequency chirping modes in DIII-D hybrid discharges

D. Liu, W.W. Heidbrink, M. Podestà, Z.Z. Ren, L. Bardóczi, E.D. Fredrickson, G.Y. Fu, C.C. Petty, K.E. Thome, F. Turco2020年被引用 10Nuclear FusionIF 3出版社

Significant variations in MHD activity and fast-ion transport are observed in the DIII-D high-beta, steady-state hybrid discharges with a mixture of electron cyclotron (EC) waves and neutral beam injection (NBI). When electron cyclotron heating (ECH) or current drive (ECCD) is applied, Alfvén eigenmodes (AEs) are usually suppressed and replaced by low-frequency bursting modes. The analysis of a recently compiled database of hybrid discharges suggests that the change of the fast-ion pressure especially the perpendicular pressure is the main factor responsible for the instability transition although the transition in some discharges can also be explained by a slight drop of the safety factor . The lower ratio of fast-ion injection speed vinj to Alfvén speed valfven and slight drop of during ECCD also facilitate the transition. The database shows that AEs mainly occur when the fast-ion fraction is less than 0.53 and is greater than 0.50, while low-frequency bursting modes appear in the opposite regime. Here, Pf and Ptotal are the central fast-ion pressure from classical prediction and total plasma pressure, respectively. The correlation with is weaker, and is around unity in all the cases. The reason why the instability transition correlates with and is that they can significantly modify the drive of low-frequency bursting modes and AEs. The explanation is supported by the observation that low-frequency bursting modes are rarely seen in the hybrids with NBI only, with EC waves and counter-NBI, or with high plasma density. A careful check of the low-frequency bursting modes suggests that they are mainly chirping (neoclassical) tearing modes (referred to as chirping (N)TMs), i.e. the mode frequency firstly jumps up from the steady (N)TM frequency, then chirps down, and finally returns to the steady (N)TM frequency. Occasionally, the (N)TMs are fully stabilized and replaced with pure fishbones. The resonance condition calculation and 'Kick' model simulations suggest that (N)TMs and fishbones can interact through modification of the fast ion distribution in phase space, which influences the drive.

日本語訳

DIII-Dの高ベータ定常ハイブリッド放電において、電子サイクロトロン(EC)波と中性粒子ビーム入射(NBI)の混合加熱により、MHD活動と高速イオン輸送に有意な変動が観測される。電子サイクロトロン加熱(ECH)または電流駆動(ECCD)を適用すると、アルヴェン固有モード(AE)は通常抑制され、低周波バーストモードに置き換わる。最近収集されたハイブリッド放電のデータベースの解析により、不安定性遷移の主な要因は、特に垂直方向の高速イオン圧力の変化であることが示唆されるが、一部の放電では安全係数qのわずかな低下によっても遷移が説明され得る。ECCD中の高速イオン注入速度vinjとアルヴェン速度valfvenの比が低いこと、およびqのわずかな低下も遷移を促進する。データベースは、高速イオン割合が0.53未満かつqが0.50超の場合にAEが主に発生することを示しており、一方、低周波バーストモードはその逆の領域で現れる。ここで、PfとPtotalはそれぞれ、古典的予測による中心高速イオン圧力と全圧力である。qとの相関は弱く、全てのケースでqはほぼ1である。不安定性遷移が高速イオン圧力比およびqと相関する理由は、これらが低周波バーストモードとAEの駆動を有意に変化させ得るためである。この説明は、低周波バーストモードがNBIのみ、EC波と逆方向NBI、または高密度のハイブリッド放電ではほとんど観測されないという事実によって裏付けられる。低周波バーストモードの詳細な調査により、これらは主にチャープ状の(新古典)ティアリングモード((N)TM)であることが示唆される。すなわち、モード周波数は定常(N)TM周波数から上昇し、その後下降して最終的に定常(N)TM周波数に戻る。時には(N)TMが完全に安定化され、純粋なフィッシュボーン不安定性に置き換わることもある。共鳴条件の計算と「キック」モデルシミュレーションは、(N)TMとフィッシュボーンが位相空間における高速イオン分布の変調を通じて相互作用し得ることを示唆しており、これが駆動に影響を及ぼす。

装置

diii-d高精度(タイトル一致)

wiki

DIII-D
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