[論文レビュー] Mechanisms of plasma disruption and runaway electron losses in tokamaks

Sherzod Abdullaev, K.H. Finken+6 more|arXiv (Cornell University)|Jan 7, 2015

Magnetic confinement fusion research参考文献 37被引用数 3

ひとこと要約

本論文は、低モード数 MHD 不安定性によるストキャスティック磁場によって駆動されるトカラマクプラズマの崩壊時におけるランナウェイ電子（RE）ビームの形成と損失のメカニズムを提案する。RE は完全な磁場表面内でのトロイダル電場による加速によって発生し、外向きのドリフトと m/n=1/1 MHD モードによって誘発されるビーム端縁のストキャスティック層に起因する損失を受ける。このモデルは、内側ビームの閉じ込めや遅い RE 電流の崩壊といった、主要な実験的特徴をうまく再現している。

ABSTRACT

Based on the analysis of data from the numerous dedicated experiments on plasma disruptions in the TEXTOR tokamak the mechanisms of the formation of runaway electron beams and their losses are proposed. The plasma disruption is caused by strong stochastic magnetic field formed due to nonlinearly excited low-mode number magnetohydrodynamic (MHD) modes. It is hypothesized that the runaway electron beam is formed in the central plasma region confined by an intact magnetic surface due to the acceleration of electrons by the inductive toroidal electric field. In the case of plasmas with the safety factor $q(0)<1$ the most stable runaway electron beams are formed by the intact magnetic surface located between the magnetic surface $q=1$ and the closest low--order rational surface $q=m/n>1$ ($q=5/4$, $q=4/3$, ...). The thermal quench time the current quench time are estimated. The runaway electron beam current is modeled as a sum of toroidally symmetric part and a small amplitude helical current with a predominant $m/n=1/1$ component. The runaway electrons are lost due to two effects: ($i$) by outward drift of electrons in a toroidal electric field until they touch wall and ($ii$) by the formation of stochastic layer of runaway electrons at the beam edge. Such a stochastic layer for high--energy runaway electrons is formed in the presence of the $m/n=1/1$ MHD mode. It has a mixed topological structure with a stochastic region open to wall. The effect of external resonant magnetic perturbations on runaway electron loss is discussed. A possible cause of the sudden MHD signals accompanied by runaway electron bursts is explained by the redistribution of runaway current during the resonant interaction of high--energetic electron orbits with the $m/n=1/1$ MHD mode.

研究の動機と目的

• トカラマクプラズマの崩壊時に発生するランナウェイ電子（RE）ビームの物理的メカニズムを理解すること。
• 異なるディス charges 間で観測される RE ビームの変動性と安定性を説明すること。
• 衝突輸送を用いたストキャスティック磁場における熱的および電流クエンチフェーズのモデル化。
• 高エネルギー RE の主な損失メカニズムを同定すること。
• 外部の共鳴磁場摂動（RMPs）が RE 動的特性に与える影響を評価すること。

提案手法

• 低モード数 MHD モードの重ね合わせを用いて、崩壊後の磁場をモデル化し、大規模なストキャスティック性を生成する。
• 衝突拡散輸送モデルを適用して、ストキャスティック場内での径方向の熱および粒子輸送を計算する。
• 誘導トロイダル電場および MHD 摂動下でのランナウェイ電子のガイドセンター軌道をシミュレートする。
• ランナウェイ電流をトロイダル的に対称な成分とヘリカル成分に分解し、主に m/n=1/1 モードが支配的であることを特定する。
• m/n=1/1 MHD モードによって引き起こされる RE ビーム端縁におけるストキャスティック層の形成を分析し、壁への損失を可能にする。
• TEXTOR の実験データを用いて、観測された RE の閉じ込め、エネルギークエンチのスパイク、電流崩壊プロファイルに対するモデルの妥当性を検証する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 トカラマクのプラズマ崩壊時に安定なランナウェイ電子ビームが形成される原因は何ですか？
• RQ2 MHD モードに起因するストキャスティック磁場が電子輸送および RE ビームの閉じ込めにどのように影響するでしょうか？
• RQ3 なぜランナウェイ電子は主に内側プラズマ領域に観測され、外側領域から損失するのでしょうか？
• RQ4 エネルギークエンチのプラトー期に観測される遅いランナウェイ電流の崩壊を支配するメカニズムは何ですか？
• RQ5 外部の共鳴磁場摂動（RMPs）は、ランナウェイ電子の損失および動的特性にどのように影響を及ぼすでしょうか？

主な発見

• 熱クエンチは主にストキャスティック磁場内での衝突輸送によって駆動され、実験観測と整合する時間スケールを持つ。
• 電流クエンチは同じストキャスティック磁場内でのアンビポーラ粒子輸送によって支配され、イオンの動的挙動が電流崩壊時間に顕著に寄与する。
• ランナウェイ電子ビームは、q=1 と最も近い有理的表面（例：q=5/4、4/3）の間、特に q(0)<1 の場合に、完全な磁場表面によって閉じ込められた中心プラズマ領域で形成される。
• ランナウェイ電流の遅い崩壊は、2つの損失メカニズムによって説明できる：(i) 継続的な加速に起因する外向きドリフト、および (ii) m/n=1/1 MHD モードによるビーム端縁におけるストキャスティック層の形成。
• モデルは、エネルギークエンチ期に観測される短いスパイクを再現しており、これはディスチャージ開始時のエルゴディック領域からのランナウェイ損失に起因するとされる。
• 外部 RMPs は低エネルギー RE（5–10 MeV 未満）にはほとんど効果を示さないため、RE ビームのコア部が直接エルドリック化されない限り、有効性は限定的であると示唆される。