[論文レビュー] Configurational Effects on Alfvenic modes and Confinement in the H-1NF Heliac

B. D. Blackwell, D. G. Pretty+13 more|ArXiv.org|Feb 27, 2009

Magnetic confinement fusion research参考文献 11被引用数 5

ひとこと要約

本研究は、H-1NFヘリアックステララーにおいて、可変コイルセットと高度な診断を用いて、アルフレーディックモードおよびプラズマ閉じ込めに及ぼす配置効果を調査する。磁束密度と回転変換に伴う磁場揺らぎのアルフレーディックスケーリングを示し、データマイニングを用いてモード構造を同定し、有理的表面付近での閉じ込めの悪化が磁場島によるものではなく、島形成を促進するプラズマ生成に起因する可能性が高いことを示している。

ABSTRACT

The flexible Heliac coil set of helical axis stellarator H-1 (R=1m, ~0.15-0.2 m) permits access to a wide range of magnetic configurations. Surprisingly, in the absence of any obvious population of energetic particles, Alfven modes normally associated with energetic populations in larger fusion experiments are observed. Using H-1's unique combination of flexibility and advanced diagnostics, RF-generated plasma in H-1 is shown to have a very complex dependence on configuration of both the electron density and fluctuations in the MHD Alfven range. Magnetic fluctuations range from highly coherent, often multi-frequency, to approaching broad-band (df/f ~ 0.02-0.5), in the range 1-200 kHz. Application of datamining techniques to a wide range of configurations classifies these fluctuations and extracts poloidal and toroidal mode numbers, revealing that a significant class of fluctuations exhibit scaling which is i) Alfvenic with electron density (within a constant factor) and ii) shear Alfvenic in rotational transform. This is confirmed by scans within a single pulse, which can follow mode conversions. An array of optical and interferometric diagnostics is combined with the magnetic probe arrays to provide initial information on the internal structure of the MHD modes, and associated 3D effects. The configurational dependence is closely related to the presence of low order rational surfaces; density falls to very low values near, but not precisely at these rational values. Results from a uniquely accurate magnetic field mapping system, combined with a comprehensive model of the vacuum magnetic field in H-1 show that magnetic islands should not dominate the confinement of the configuration, and indicate that the dependence of density on configuration may be attributable to plasma generation effects.

研究の動機と目的

• H-1NFヘリアックにおける磁場配置の変化がアルフレーディックモードおよびプラズマ閉じ込めに与える影響を調査すること。
• 有理的回転変換値付近での閉じ込め劣化の原因が磁場島か、それ以外の配置効果かを特定すること。
• 広範な配置範囲における複雑で多周波数の磁場揺らぎを分類するためのデータマイニング技術の開発および適用すること。
• アルフレーモード周波数と高精度な磁場分布測定を用いて回転変換の測定を検証すること。
• 低順序の有理的表面付近での密度プロファイル形成に与えるプラズマ生成効率の役割を評価すること。

提案手法

• H-1NFの可変ヘリアックコイルセットを用い、回転変換を系統的に変化させ（1.1 < ι₀ < 1.4）、多様な磁場配置にアクセスした。
• 磁場プローブの多チャンネルデータを、フーリエ解析、特異値分解（SVD）、位相差空間におけるクラスタリングを用いたデータマイニング技術により、識別可能な揺らぎ構造に低次元化した。
• 磁場プローブアレイと干渉計、光学診断、電子ビームトモグラフィーを統合し、プラズマ密度および磁場構造をマッピングした。
• 包括的な真空磁場モデルを用いて回転変換を計算・検証し、磁場負荷下でのコイル歪み補正を含めた。
• アルフレーモード周波数と回転変換を相関させ、イオータ値を推定し、直接的な電子ビーム測定と比較した。
• ι ≈ 3/2付近で、島効果が閉じ込めに与える影響を評価するための標的実験を実施し、ラングミュアプローブおよび密度・温度プロファイルを用いた。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 H-1NFにおけるアルフレーディック揺らぎは、電子密度および回転変換とどのようにスケーリングするか？
• RQ2 高エネルギー粒子集団が存在しない状況下で、整合的かつバンド幅広い磁場揺らぎの起源は何か？
• RQ3 低せん断配置におけるプラズマ閉じ込めの劣化は、磁場島または有理的表面にどの程度起因するか？
• RQ4 アルフレーエルモードは、コンactスターララーにおける回転変換の診断に有効に使えるか？
• RQ5 なぜ有理的回転変換値付近ではあるが、正確にはその値に一致しない位置でプラズマ密度が急激に低下するのか？

主な発見

• H-1NFにおける顕著な磁場揺らぎクラスは、電子密度（一定要因内）と剪断アルフレーディックスケーリングを示し、回転変換に従ってスケーリングする。
• 揺らぎは、高周波数で多周波数のコherentモードから、1–200 kHz範囲でバンド幅広い（δf/f ~ 0.02–0.5）信号までをカバーし、振幅は最大約1ガウスに達する。
• データマイニングにより、正弦波モード仮定を必要とせず、ポリオイダルおよびトロイダルモード数に基づいて揺らぎ構造を成功裏に分類した。
• 電子ビームトモグラフィーと真空磁場モデルを用いた磁場マッピングにより、コイル歪み補正を施した場合、δι/ι ~ 0.2%の精度を達成した。
• ι = 5/4および4/3に有理的表面が存在するが、磁場島は閉じ込め劣化を支配していない。密度低下はこれらの値付近で見られるが、正確にはその値に一致しない。
• ι ≈ 3/2付近での実験では、閉じ込めの著しい劣化は観測されず、低中性密度条件下では島内での閉じ込めがわずかに向上した。これは、コア電子ルート様の挙動を示唆している。