[論文レビュー] Suppression of core turbulence by profile shaping in Wendelstein 7-X

A. von Stechow, O. Grulke+24 more|arXiv (Cornell University)|Oct 5, 2020

Magnetic confinement fusion research参考文献 1被引用数 11

ひとこと要約

本研究では、Wendelstein 7-X トカマクの最適化された最大-J 磁場幾何構造を活用することで、コア領域のイオンスケール乱流および異常輸送が抑制されることを示している。実験的および非線形ギャロアクイネティクスシミュレーションにより、密度勾配が増加することで乱流熱フラックスが50%減少し、ニューオクラスカル輸送の変化が顕著でない状況でプラズマの閉じ込めが向上することが明らかになった。

ABSTRACT

In the Wendelstein 7-X magnetic confinement experiment, a reduction of turbulent density fluctuations as well as anomalous impurity diffusion is associated with a peaking of the plasma density profile. These effects correlate with improved confinement and appear largely due to a reduction of anomalous transport as the change in neoclassical transport is small. The observed decrease of turbulent heat flux with increased density gradients is in agreement with nonlinear gyrokinetic simulations, and has been attributed to the unique geometry of W7-X that limits the severity of trapped electron modes.

研究の動機と目的

• Wendelstein 7-X スターリングレーターにおけるコア乱流および輸送に及ぼすピークを持つプラズマ密度プロファイルの影響を調査すること。
• W7-X が有する特異な磁場幾何構造が、捕獲電子モード（TEMs）のような乱流輸送機構をどのように抑制するかを特定すること。
• 密度揺らぎおよび異常拡산の実験的観察と非線形ギャロアクイネティクスシミュレーションを相関させること。
• プロファイル形状が施された状況下での閉じ込め向上におけるニューオクラスカル輸送と乱流輸送の寄与を評価すること。
• 径方向電場のせん断およびE×Bせん断が、最適化されたスターリングレーター構成における乱流抑制に果たす役割を評価すること。

提案手法

• 32本のポリロイダルライン・オブ・サイトを通じて線積分された密度揺らぎを測定するフェーズコントラストイメージング（PCI）を用い、周波数および垂直波数スペクトルを解像した。
• 冷却ペレット注入および中性ビーム注入を伴うW7-Xディスchargeの時間分解データを分析し、密度プロファイル、貯蔵エネルギー、および乱流振幅の変化を追跡した。
• r/a = 0.75 の高ミラー構成におけるフラックスチューブで、GENEコードを用いた非線形ギャロアクイネティクスシミュレーションを実施。磁場線、径方向、垂直方向、速度、磁気モーメント空間の解像度はそれぞれ (256, 64, 96, 48, 10, 0.05) とした。
• イオン温度勾配を a/LTi = 3 に固定した状態で、密度勾配 a/Ln = 0 または 1 の場合の乱流熱フラックスおよび密度揺らぎレベルを比較した。
• 測定された正規化勾配に基づく準線形推定を用いて乱流熱フラックスの低下を予測し、シミュレーションおよび実験結果と照合した。
• 測定された径方向電場からのせん断率を推定し、不安定モードの成長率と比較することで、E×Bせん断の役割を評価した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ピークを持つプラズマ密度プロファイルは、W7-Xにおける乱流密度揺らぎおよび異常輸送にどのように影響を与えるか？
• RQ2 W7-X の最大-J 磁場幾何構造は、従来のトカマク構成と比較して、捕獲電子モード（TEM）活動をどの程度抑制するか？
• RQ3 プロファイル形状が施された状況下での改善された閉じ込めにおいて、乱流輸送とニューオクラスカル輸送の相対的寄与は何か？
• RQ4 非線形ギャロアクイネティクスシミュレーションは、W7-X で観測された乱流熱フラックスおよび密度揺らぎ振幅の低下を再現できるか？
• RQ5 径方向電場のせん断およびE×Bアドベクションは、プロファイル形状が施されたW7-Xディスチャージにおいて、乱流の抑制にどのように寄与するか？

主な発見

• 非線形ギャロアクイネティクスシミュレーションにより、密度勾配が存在する場合とない場合を比較した結果、W7-Xディスチャージにおける乱流熱フラックスが50%低減されていることが示された。
• 観測された乱流および異常不純物拡散の抑制は、貯蔵エネルギーがピークプロファイル段階で0.3 MJから1 MJを超えるまで上昇したことに示される、プラズマ閉じ込めの向上と強く相関していた。
• PCI測定では、高密度でピークを持つプロファイル段階において、線積分密度揺らぎ振幅が顕著に低下しており、これは乱流輸送の低減と整合的であった。
• 非線形シミュレーションにより、乱流熱フラックスの低減はニューオクラスカル輸送の変化ではなく、最大-J 磁場配置における捕獲電子モード（TEMs）の安定化によるものであると確認された。
• 準線形推定により、密度勾配が増加するにつれて乱流熱フラックスが単調に低下することが予測され、実験観測およびシミュレーション結果と一致した。
• W7-X における径方向電場のせん断は、r_eff/a > 0.6 の領域で不安定モードの成長率と同等の大きさに達しており、E×Bせん断による追加の抑制機構の可能性が示唆された。