[논문 리뷰] Mechanisms of plasma disruption and runaway electron losses in tokamaks

Sherzod Abdullaev, K.H. Finken외 6명|arXiv (Cornell University)|2015. 01. 07.

Magnetic confinement fusion research참고 문헌 37인용 수 3

한 줄 요약

이 논문은 저모드수수의 MHD 불안정성으로 인한 확산 자기장에 의해 유도되는 토카막 플라즈마 붕괴 중 런어웨이 전자(RE) 비임의 형성 및 손실 메커니즘을 제안한다. RE는 손상되지 않은 자기 표면 내에서 토로이드 전기장에 의해 가속되며, 손실은 외부로의 이동과 m/n=1/1 MHD 모드에 의해 유도되는 비임 가장자리의 확산층에 기인한다. 이는 내부 비임의 고착 및 느린 RE 전류 감쇠와 같은 주요 실험적 특성을 성공적으로 재현한다.

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.

연구 동기 및 목표

• 토카막 플라즈마 붕괴 중 런어웨이 전자(RE) 비임 형성의 물리적 메커니즘을 이해하기 위해.
• 다양한 디스charges 간의 관측된 RE 비임의 변동성과 안정성 원인을 설명하기 위해.
• 충돌성 운반을 통한 확산 자기장에서의 열 및 전류 붕괴 단계를 모델링하기 위해.
• 고에너지 RE의 주요 손실 메커니즘을 규명하기 위해.
• 외부 공진 자기장 편열(RMPs)이 RE 역학에 미치는 영향을 평가하기 위해.

제안 방법

• 저모드수수의 MHD 모드의 초위상으로 후붕괴 자기장을 모델링하여 대규모의 확산성을 생성한다.
• 충돌성 확산 운반 모델을 적용하여 확산장 내에서의 반경 방향 열 및 입자 운반을 계산한다.
• 유도 토로이드 전기장과 MHD 교란 하에서 런어웨이 전자의 가이드 센터 궤도를 시뮬레이션한다.
• 런어웨이 전류를 토로이드적으로 대칭적이고 나선형 성분으로 분해하며, 주로 m/n=1/1 모드가 지배적이다.
• m/n=1/1 MHD 모드에 의해 비임 가장자리에 확산층이 형성됨을 분석하여 벽 손실을 가능하게 한다.
• TEXTOR의 실험 데이터를 사용하여 모델이 관측된 RE 고착, 에너지 붕괴 스파이크, 전류 감쇠 프로파일과 일치하는지 검증한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 왜 토카막의 플라즈마 붕괴 중 안정된 런어웨이 전자 비임이 형성되는가?
• RQ2 MHD 모드에 의해 유도된 확산 자기장이 전자 운반과 RE 비임 고착에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 왜 런어웨이 전자는 주로 내부 플라즈마 영역에서 관측되고 외부 영역에서 손실되는가?
• RQ4 에너지 붕괴 단계 동안 런어웨이 전류가 느리게 감쇠되는 메커니즘은 무엇인가?
• RQ5 외부 공진 자기장 편열(RMPs)은 런어웨이 전자의 손실과 역학에 어떤 영향을 미치는가?

주요 결과

• 열붕괴는 주로 확산 자기장 내에서의 충돌성 전자 운반에 의해 주로 이뤄지며, 실험 관측과 일치하는 시간 스케일을 가진다.
• 전류붕괴는 동일한 확산 자기장 내에서 애미폴라 입자 운반에 의해 지배되며, 이온 역학이 전류 감쇠 시간에 크게 기여한다.
• 런어웨이 전자 비임은 손상되지 않은 자기 표면에 의해 고착된 중심 플라즈마 영역에서 형성되며, 특히 q=1과 가장 가까운 유리 표면(예: q=5/4, 4/3) 사이에서 형성되며, q(0)<1일 경우 더욱 그렇다.
• 런어웨이 전류의 느린 감쇠는 두 가지 손실 메커니즘에 의해 설명된다: (i) 지속적인 가속에 따른 외부로의 이동, (ii) m/n=1/1 MHD 모드에 의해 비임 가장자리에 확산층 형성.
• 모델은 에너지 붕괴 기간 동안 짧은 스파이크가 관측되는 것을 재현하며, 이는 충격 시작 시기의 에르고딕 영역에서의 런어웨이 손실에 기인한다.
• 외부 RMPs는 저에너지 REs(5–10 MeV 이하)에는 거의 영향을 미치지 않아, 핵심 영역이 직접 에르고딕화되지 않는 한 효율성이 떨어진다.