[論文レビュー] Towards enhanced performance in fusion plasmas via turbulence suppression by MeV ions

S. Mazzi, J. García+10 more|arXiv (Cornell University)|Oct 15, 2020

Magnetic confinement fusion research参考文献 46被引用数 6

ひとこと要約

本稿では、MeVエネルギー帯の高速イオンが、完全に不安定化されたアルヴェーン固有モードを駆動し、ゾーンル磁場流れを生成することで核融合プラズマ内の乱流を抑制することを提案する。これにより、電磁的および静電的輸送が低減される。主な結果として、ゾーンル磁場摂動によるマイクロ乱流の抑制により、熱的閉じ込めが顕著に向上し、ITERおよび将来の核融合炉における性能向上への道筋が示される。

ABSTRACT

Megaelectron volt (MeV) alpha particles will be the main source of plasma heating in magnetic confinement fusion reactors. Yet, instead of heating fuel ions, most of the energy of alpha particles is transferred to electrons. Furthermore, alpha particles can also excite Alfvenic instabilities, previously considered as detrimental. Contrary to expectations, we demonstrate efficient ion heating in the presence of MeV ions and strong fast-ion driven Alfvenic instabilities in recent experiments on the Joint European Torus (JET). Detailed transport analysis of these experiments with state-of-the-art modeling tools explains the observations. Here we show a novel type of turbulence suppression and improved energy insulation in plasmas with MeV ions and fully developed Alfvenic activities through a complex multi-scale mechanism that generates large-scale zonal flows. This mechanism holds promise for a more economical operation of fusion reactors with dominant alpha particle heating and, ultimately, cheaper fusion electricity

研究の動機と目的

• 磁気的閉じ込め核融合プラズマにおけるMeVエネルギー帯の高速イオンが、乱流輸送を抑制する役割を調査すること。
• 高速イオン駆動のアルヴェーン固有モード（TAE）がゾーンル流れ生成および乱流抑制に与える影響を理解すること。
• 高速イオンが誘導するゾーンル磁場構造によって、電磁気的乱流がどのように低減されるかを特定すること。
• このメカニズムが、ITERのような将来の核融合装置におけるエネルギー閉じ込めの向上に与える影響を評価すること。
• D-T実験における異常なイオン加熱の長年の謎を、ゾーンル流れによる乱流抑制と結びつけること。

提案手法

• 電磁的および静電的フラックススペクトルを $k_y\rho_s$ の関数として計算するため、ギャロアクイネティックモデルを用いた乱流の数値シミュレーション。
• 高速イオン駆動モードに関連する磁場のゾーンル構造を特定するため、ベクトルポテンシャル $A_{||}$ の摂動を分析。
• ゾーンル磁場摂動の径方向勾配を $\bar{s}_{fluc} = qR_0\partial_x B_y(k_x,0)$ を用いて定量。
• 高速イオンの有無にかかわらずの乱流レベルを比較し、特に $R/L_{p_{FD}} = 16.2$ の条件下で高速イオン駆動TAEの影響を分離。
• MeVエネルギー帯のDイオンを有するJET D-3Heプラズマからの実験データを用い、シミュレーションのメカニズムを検証。
• コアプラズマにおける全エネルギー絶縁性を評価するため、電子と熱的イオンの衝突結合を組み込む。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 MeVエネルギー帯の高速イオンは、ゾーンル流れの生成を通じて核融合プラズマにおけるマイクロ乱流を抑制できるか？
• RQ2 高速イオン駆動アルヴェーン固有モードは、電磁的および静電的輸送の振幅および構造にどのように影響するか？
• RQ3 ゾーンル磁場摂動が電磁気的電子輸送を低減する役割を果たすか？
• RQ4 静電的および電磁的両方のフィールドにおけるゾーンル構造が、熱的閉じ込めの向上にどの程度寄与するか？
• RQ5 過去のD-T実験で観測された異常なイオン加熱は、高速イオン駆動モードからのゾーンル流れによる乱流抑制によって説明可能か？

主な発見

• 電磁的電子輸送は $\chi_{EM}(\text{el.}) = 3.1\ \text{m}^2/\text{s}$ に、熱的 $^3\text{He}$ イオン輸送は $\chi_{EM}(^{3}\text{He}) = 0.2\ \text{m}^2/\text{s}$ にまで低減され、電磁的フラックスの強い抑制が示された。
• ポリロイダル方向にベクトルポテンシャル $A_{||}$ のゾーンル構造が観測され、これが乱流抑制を引き起こすゾーンル流れの発生と相関した。
• ゾーンル磁場摂動の径方向勾配 $\bar{s}_{fluc}$ は、高速イオンなしでは $3.2 \times 10^{-2}\ c_s/a$ から、高速イオンありでは $5.6 \times 10^{-2}\ c_s/a$ に増加し、安定化が強化された。
• 乱流の抑制は、高速イオン駆動モードと静電的および電磁的両フィールドにおけるゾーンル成分との非線形結合によって駆動されている。
• このメカニズムにより、過去のJET D-T実験で観測された異常なイオン加熱が、直接加熱ではなく乱流抑制によるものであると説明できる。
• この発見は、かつては有害と見なされていたアルヴェーン固有モードの活動が、D-T核融合炉（ITERなど）における閉じ込め向上に活用可能である可能性を示唆する。