[論文レビュー] Confinement of passing and trapped runaway electrons in the simulation of an ITER current quench

K. Särkimäki, F.J. Artola+1 more|arXiv (Cornell University)|Mar 17, 2022

Magnetic confinement fusion research参考文献 40被引用数 19

ひとこと要約

本研究では、ITERにおける電流クイench段階におけるランナウェイ電子（RE）の閉じ込めを、JOREKコードを用いた3次元MHDシミュレーションにより調査した。ストキャスティックな磁場の中でREマーカーを追跡した結果、8 msのストキャスティック段階における場の誘導輸送が、大部分の通過および捕獲REを脱閉じ込めさせるのに十分であることが判明し、磁力線が再形成される以前にREビーム形成が緩和される可能性がある。

ABSTRACT

Runaway electrons (REs) present a high-priority issue for ITER but little is known about the extent to which RE generation is affected by the stochastic field intrinsic to disrupting plasmas. RE generation can be modelled with reduced kinetic models and there has been recent progress in involving losses due to field stochasticity, either via a loss-time parameter or radial transport coefficients which can be estimated by tracing test electrons in 3D fields. We evaluate these terms in ITER using a recent JOREK 3D MHD simulation of plasma disruption to provide the stochastic magnetic fields where RE markers are traced with the built-in particle tracing module. While the MHD simulation modelled only the current quench phase, the case is MHD unstable and exhibits similar relaxation as would be expected during the thermal quench. Therefore, the RE simulations can be considered beginning right after the thermal quench but before the MHD relaxation is complete. The plasma is found to become fully stochastic for 8 ms and the resulting transport is sufficient to overcome RE avalanche before flux surfaces are reformed. We also study transport mechanisms for trapped REs and find those to be deconfined as well during this phase. While the results presented here are not sufficient to assess the magnitude of the formed RE beam, we show that significant RE losses could be expected to arise due to field stochasticity.

研究の動機と目的

• ITERの電流クイench段階における磁場のストキャスティック性がランナウェイ電子（RE）の閉じ込めに与える影響を評価すること。
• ストキャスティック輸送によるRE損失がREアバランチ成長を上回るかどうかを評価すること。
• ストキャスティック段階における通過および捕獲REの輸送メカニズムを調査すること。
• JOREKの粒子トレーサーに衝突および放射反動作用素を妥当に実装し、現実的なRE動的挙動を再現すること。

提案手法

• ガイドセンター近似を用いたJOREKの軌道追従モジュールを用いて、相対論的REマーカーを追跡した。
• Braams-Karney理論に基づく完全相対論的Fokker-Planck衝突作用素（ドライブ、エネルギー拡散、ピッチ散乱を含む）を組み込んだ。
• シンクロtron損失をモデル化するための放射反動力作用素を適用したが、その影響は無視できる程度であった。
• 垂直変位を伴う50 msの電流クイenchを特徴とするITERのJOREK MHDシミュレーションから得た時間発展する3次元磁場を用いた。
• 衝突有無のケースを比較し、径方向拡散係数および損失 timescales を評価して輸送を定量化した。
• 捕獲REの動的挙動を別個に分析し、3つの損失メカニズムを同定した：衝突散乱、Wareピンチ、および衝突なしバナナ拡散。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 電流クイench段階における磁場のストキャスティック性が、ITERにおけるランナウェイ電子ビーム形成を抑制できるか？
• RQ2 捕獲ランナウェイ電子の脱閉じ込めにおいて、衝突散乱、Wareピンチ、および衝突なしバナナ拡散の相対的寄与度は何か？
• RQ3 通過および捕獲REの輸送 timescales は、REアバランチ成長 timescales と比較してどの程度か？
• RQ4 Coulomb衝突および放射損失は、ストキャスティック段階におけるRE閉じ込めにどの程度影響を及えるか？

主な発見

• 電流クイench段階においてプラズマは8 ms間完全にストキャスティックとなり、その間の磁場輸送がREアバランチ成長を上回るほど十分である。
• 通過REは径方向輸送によりストキャスティック段階内で脱閉じ込めされ、損失 timescales がアバランチ成長 timescales と同等または短いことが判明した。
• 捕獲REも3つのメカニズムにより脱閉じ込めされる：衝突散乱（Ekin ≲ 200 keV）、Wareピンチ（200 keV ≲ Ekin ≲ 10 MeV）、および衝突なしバナナ拡散（Ekin ≳ 10 MeV）。
• 衝突作用素は捕獲粒子の動的挙動に顕著な影響を及ぼすが、放射反動力はRE輸送にほとんど影響を及ぼさなかった。
• REのわずか一部は磁力線軸付近に残存する可能性があるが、ストキャスティック段階は一般的にビーム形成を緩和する効果がある。
• シミュレーション結果から、REビームの大きさは初期電流クイench段階における損失に極めて敏感であり、特に磁力線再形成前にストキャスティック性が続く場合に顕著であることが示唆された。