[論文レビュー] Toroidal and slab ETG instability dominance in the linear spectrum of JET-ILW pedestals

J. F. Parisi, F. I. Parra+10 more|arXiv (Cornell University)|Apr 28, 2020

Magnetic confinement fusion research参考文献 107被引用数 65

ひとこと要約

本研究では、JET-ILWペディキュール放電の急勾配領域において、主にサブ・イオン・ラーマー スケール (kyρi ≳1) および大きな径方向波数 (Kxρe ∼1) で駆動される、新しいトロイダル電子温度勾配 (ETG) 不安定性が支配的線形モードとして同定された。局所的ギャロアクイネティクス・シミュレーション (GS2) を用いて、E×B シアの強い条件下でも、磁気幾何学的要因および径方向磁気ドリフトと関連する高い臨界勾配閾値のおかげで、ETG モードがイオン温度勾配モードやキネティックバルーンモードを上回ることが示された。

ABSTRACT

Local linear gyrokinetic simulations show that electron temperature gradient (ETG) instabilities are the fastest growing modes for $k_y ho_i \gtrsim 0.1$ in the steep gradient region for a JET pedestal discharge (92174) where the electron temperature gradient is steeper than the ion temperature gradient. Here, $k_y$ is the wavenumber in the direction perpendicular to both the magnetic field and the radial direction, and $ ho_i$ is the ion gyroradius. At $k_y ho_i \gtrsim 1$, the fastest growing mode is often a novel type of toroidal ETG instability. This toroidal ETG mode is driven at scales as large as $k_y ho_i \sim ( ho_i/ ho_e) L_{Te} / R_0 \sim 1$ and at a sufficiently large radial wavenumber that electron finite Larmor radius effects become important; that is, $K_x ho_e \sim 1$, where $K_x$ is the effective radial wavenumber. Here, $ ho_e$ is the electron gyroradius, $R_0$ is the major radius of the last closed flux surface, and $1/L_{Te}$ is an inverse length proportional to the logarithmic gradient of the equilibrium electron temperature. The fastest growing toroidal ETG modes are often driven far away from the outboard midplane. In this equilibrium, ion temperature gradient instability is subdominant at all scales and kinetic ballooning modes are shown to be suppressed by $\mathbf{ E} imes \mathbf{ B} $ shear. ETG modes are very resilient to $\mathbf{ E} imes \mathbf{ B}$ shear. Heuristic quasilinear arguments suggest that the novel toroidal ETG instability is important for transport.

研究の動機と目的

• 本論文の目的は、JET-ILW Hモードペディキュールの急勾配領域における支配的マイクロ不安定性を同定することである。
• 電子温度勾配 (ETG) 不安定性がペディキュール輸送に果たす役割、特に高い電子温度勾配の文脈において検討することである。
• ETG モードの E×B シアに対する耐性と、乱流輸送におけるその可能性の役割を調査することである。
• 測定されたイオン温度プロファイル下でも、ITG および KBM に対して ETG の優位性を対比することである。
• 本研究の目的には、大きな径方向波数で駆動される新しいタイプのトロイダル ETG モードの特徴付けが含まれる。

提案手法

• JET-ILW間-ELM放電 (ショット 92174) を対象として、GS2 コードを用いた局所的線形ギャロアクイネティクス・シミュレーションが実施された。
• Thomson散乱およびイオン化交差放出からの測定済みの密度、温度、回転プロファイルが使用された。
• 線形化ギャロアクイネティクス方程式をマクスウェル方程式と連立して解き、垂直波数 (0.005 ≲ kyρi ≲ 400) の範囲でマイクロ安定性を分析した。
• 解析は、径方向電場と圧力勾配のバランスから推定された E×B シアが最大となる径方向領域に焦点を当てた。
• 電磁効果および E×B シアによる抑制効果を評価し、モード成長率に与える影響を検討した。
• 輸送寄与度の推定には、ヒューリスティックな準線形アプローチが用いられた。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 JET-ILWペディキュールの急勾配領域における支配的マイクロ不安定性は何か？
• RQ2 新しいトロイダル ETG モードは、標準的なスレーブまたはトロイダル ETG モードと比較して、波数構造および駆動メカニズムの面でどのように異なるか？
• RQ3 このペディキュールにおいて、ETG モードは ITG や KBM モードと比較して、E×B シアによってどの程度抑制されるか？
• RQ4 大きな径方向波数を持つ新しいトロイダル ETG モードの励起において、径方向磁気ドリフトが果たす役割は何か？
• RQ5 この放電における測定済みのイオン温度勾配は、ITG 不安定性の臨界閾値と比較してどの程度か？

主な発見

• kyρi ≳0.1 の範囲では、強い E×B シアが存在する中でも、JET-ILWペディキュールで電子温度勾配 (ETG) 不安定性が最も成長が速いモードである。
• kyρi ≳1 の領域では、Kxρe ∼1 で駆動される、新しいトロイダル ETG 不安定性が最も成長が速いモードであり、有限ラーマー半径効果が顕著であることを示している。
• トロイダル ETG モードは外側中間面から大きく離れた位置で駆動され、径方向波数がそのポリオイダル波数よりも顕著に大きい。
• イオン温度勾配 (ITG) 不安定性は、イオン温度勾配が不十分に急勾配であるため、すべてのスケールで劣位的である。
• キネティックバルーンモードは E×B シアによって抑制されるが、ETG モードはシアに対して耐性を示し、輸送における支配的役割を果たしていると考えられる。
• ヒューリスティックな準線形推定によれば、新しいトロイダル ETG 不安定性は、特にサブ・イオン・ラーマー スケールでペディキュール輸送の主要寄与要因であると考えられる。