[論文レビュー] Modeling the complete prevention of disruption-generated runaway electron beam formation with a passive 3D coil in SPARC

R. A. Tinguely, V.A. Izzo+9 more|arXiv (Cornell University)|Oct 20, 2021

Magnetic confinement fusion research参考文献 41被引用数 41

ひとこと要約

本研究では、SPARCトカマクにおけるプラズマ遮断時、能動的でない3次元導電コイル（RE低減コイル、REMC）が、遮断の最悪ケースにおいてもランナウェイ電子（RE）ビームの形成を完全に防止できることを示している。電流減衰期に誘導結合によりストキャスティック磁場を発生させることで、REビームが形成されるよりも速く電子が損失され、最悪の遮断シナリオにおいても完全な抑制が達成される。

ABSTRACT

The potential formation of multi-mega-ampere beams of relativistic "runaway" electrons (REs) during sudden terminations of tokamak plasmas poses a significant challenge to the tokamak's development as a fusion energy source. Here, we use state-of-the-art modeling of disruption magnetohydrodynamics coupled with a self-consistent evolution of RE generation and transport to show that a non-axisymmetric in-vessel coil will passively prevent RE beam formation during disruptions in the SPARC tokamak, a compact, high-field, high-current device capable of achieving a fusion gain Q > 2 in deuterium-tritium plasmas.

研究の動機と目的

• トカマクの遮断時に生じるランナウェイ電子（RE）ビーム形成という、プラズマ面材の損傷を引き起こす深刻な課題に対処すること。
• 遮断時の電流減衰期に、非軸対称で容器内に設置された3次元コイル（REMC）が、能動的にストキャスティック磁場を生成する非能動的低減戦略を評価すること。
• デュテリウム・トリチウム、Hモード、Q > 2の最悪ケースのSPARC遮断シナリオにおいて、REビーム形成の完全な抑制を実証すること。
• 3次元MHD、真空磁場摂動、RE輸送ダイナミクスの統合モデルを用いて、REMCの有効性を検証すること。

提案手法

• COMSOLを用いた3次元有限要素解析により、REMCの真空磁場摂動をモデル化し、遮断に伴う電流減少に起因する誘導結合をシミュレートする。
• NIMROD 3次元MHDコードを用いて、REMCに誘導された電流（Icoil = 590 kAピーク）に由来する時間依存外部磁場を用いて電流減衰期をシミュレートする。
• NIMRODの境界で、時間変化するn = 1–10のトロイダルフーリエモードを適用し、プラズマ電流の減少に比例してスケーリングする（Icoil(t) ∝ 1 − Ip(t)/Ip(0)）。
• 熱的遮断を人工的に、0.045 ms間に4 × 10⁴ m²/sの急速な熱エネルギー損失によりシミュレートし、その後は拡散係数を低減して冷たいプラズマ状態を安定化させる。
• NIMRODの3次元ストキャスティック磁場において、ASCOT5軌道追従コードを用いて径方向RE輸送係数（対流Aおよび拡散D）を計算する。
• 計算された輸送係数を流体・運動論的ソルバーに組み込み、RE生成および進化をモデル化し、特にビーム形成の抑制に注目する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 SPARCトカマクの最も深刻な遮断シナリオにおいて、能動的でない3次元コイルがランナウェイ電子ビームの形成を防げるか。
• RQ2 REMCが誘導的に駆動する自己駆動型磁場摂動が、REビーム形成を抑制するのに十分な場のストキャスティック性を引き起こすか。
• RQ3 電流減衰期における非線形MHDモードの成長およびフラックス面の破壊が、RE輸送およびビーム形成にどのように影響するか。
• RQ4 非軸対称磁場摂動が、能動制御や外部磁場源を用いずに、完全なRE抑制を達成する役割を果たすか。

主な発見

• REMCは遮断時に能動的に590 kAのピーク電流を誘導し、強いn = 1およびn = 2磁場摂動を発生させ、非線形MHDモードの成長を引き起こす。
• 非線形MHDシミュレーションでは、t ≈ 0.65 msまでにn = 1–10モードが急速に励起され、飽和に達し、特にプラズマコア付近でm/n = 1/1、2/1、3/2モードが顕著に現れる。
• t ≈ 0.7 msでグローバルな磁場のストキャスティック性が発生し、フラックス面が完全に破壊され、小さながゆっくり成長するコア磁場島（幅～cm）が形成される。
• 誘導されたストキャスティック磁場により、電子輸送係数（AおよびD）がREビーム形成の閾値を超えるようになり、ビーム成長よりも速い電子損失率が達成される。
• シミュレーションでは最悪ケースにおいてもREビームの形成が観察されず、能動的低減によりランナウェイ電子が完全に抑制されることを確認した。
• 人工的熱遮断および輸送モデルにおける衝突項や電場効果を無視するという保守的仮定のもとでも、この手法は頑健である。