[論文レビュー] Effect of plasma elongation on current dynamics during tokamak disruptions

Tünde Fülöp, P. Helander+7 more|arXiv (Cornell University)|Sep 30, 2019

Magnetic confinement fusion research参考文献 33被引用数 21

ひとこと要約

本稿は、トカマクの崩壊時におけるランラント電子電流が、誘導電場の低減とアバランチ増幅の抑制によってプラズマの楕円率（κ）によってどのように低減されるかを調査している。楕円形のフラックスサーフェスを有する1次元の抵抗性拡散モデルを用いて、楕円率が最大電場を約1/κの要因で低減し、アバランチ利得を2/(κ + κ⁻¹)の要因で低減することを示している。Dreicer生成が支配的である高電流装置（例：ITER）では、ランラント電流が顕著に低減される。

ABSTRACT

Plasma terminating disruptions in tokamaks may result in relativistic runaway electron beams with potentially serious consequences for future devices with large plasma currents. In this paper we investigate the effect of plasma elongation on the coupled dynamics of runaway generation and resistive diffusion of the electric field. We find that elongated plasmas are less likely to produce large runaway currents, partly due to the lower induced electric fields associated with larger plasmas, and partly due to direct shaping effects, which mainly lead to a reduction in the runaway avalanche gain.

研究の動機と目的

• トカマクの崩壊時におけるランラント電子電流ダイナミクスに及ぼすプラズマの楕円率の影響を理解すること。
• 楕円率が誘導電場およびトロイダル電場の抵抗性拡散に与える影響を定量化すること。
• 形状がランラントアバランチ増幅および一次生成（Dreicer対トリチウム崩壊）に与える影響を評価すること。
• 将来の装置（例：ITERおよびSPARC）におけるランラント電流増大の緩和に及ぼす楕円率の役割を評価すること。
• 理想化された、事前に定義された温度変化を用いて、MHD安定性および輸送効果から形状効果を分離すること。

提案手法

• 軸対称トカマクと楕円形フラックスサーフェスを有する系において、フラックスサーフェス平均MHDおよび抵抗性拡散理論を用いて、トロイダル電場の時間発展に関する一般式を導出する。
• 大アスペクト比近似を適用して、電流密度の時間発展式を簡略化し、∂j∥/∂t ∝ (1 + κ⁻²)/r ∂/∂r (r ∂E/∂r) を得る。
• goコードを用いてランラント電流ダイナミクスをシミュレートし、Dreicerおよびトリチウム崩壊による種生成を組み込み、ニューラルネットワークで訓練されたランラント増幅率を用いる。
• 指数関数的減衰する温度プロファイルを仮定した理想化された熱的クイエンチシミュレーションを実施し、円形（κ=1）および楕円形（κ=1.45）プラズマを比較する。
• クイエンチ時間および最終温度を変化させた条件下で、楕円率が電場の時間発展、ランラント電流増大、および電流変換（IRE/Itot）に与える影響を分析する。
• 温度プロファイルを変更（例：最終的に平坦なプロファイル）することでロバストネスをテストし、楕円率の影響に一貫性のある傾向が得られることを確認する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 プラズマの楕円率は、トカマクの崩壊時における最大誘導電場にどのように影響するか？
• RQ2 どの程度、楕円率がランラントアバランチ増幅利得を低減するか？
• RQ3 ランラント電流の低減は、支配的生成メカニズム（Dreicer 対 トリチウム崩壊）に依存するか？
• RQ4 楕円率は、ITER や SPARC のような高電流装置における最終ランラント電流にどのように影響するか？
• RQ5 異なる温度変化プロファイル下でも、楕円率がランラント電流に与える影響はロバストか？

主な発見

• プラズマの楕円率は、電流密度が楕円率に逆比例することに起因し、最大誘導電場を約1/κの要因で低減する。
• ランラントアバランチ利得は2/(κ + κ⁻¹)の要因で低減され、κ = 1.45の場合、円形プラズマに比べて約25%低減される。
• Dreicer生成が支配的であると想定されるシミュレートされたITERの崩壊では、低電場および低アバランチ利得の両方の効果により、楕円形プラズマでは最終ランラント電流が顕著に低減される。
• SPARCにおいてもDreicer生成が支配的である場合、最終ランラント電流の低減は顕著であり、クイエンチ時間および最終温度の変化に関わらず一貫した傾向を示す。
• トリチウム崩壊が一次生成を支配する場合、最終ランラント電流は楕円率によって僅かに低減されるが、トリチウム種の増加がわずかにκに依存する一方で、アバランチ抑制が不十分であるため、その低減は限定的である。
• 半径方向の温度プロファイルを一定に保った場合でも、楕円率がランラント電流に与える影響はロバストである。これは、結果が主に幾何的および抵抗性拡散効果に起因していることを示唆している。