[논문 리뷰] Toroidal and slab ETG instability dominance in the linear spectrum of JET-ILW pedestals

J. F. Parisi, F. I. Parra외 10명|arXiv (Cornell University)|2020. 04. 28.

Magnetic confinement fusion research참고 문헌 107인용 수 65

한 줄 요약

이 연구는 JET-ILW 페달 구조의 급격한 기울기 영역에서 주로 선형 모드로 작용하는 새로운 토로이드형 전자 온도 기울기(ETG) 불안정성을 규명한다. 이 불안정성은 하위 이온 라이너 척도(kyρi ≳1)에서 큰 축방향 파수(Kxρe ∼1)로 발생하며, 자기 기하학적 구조와 축방향 자기 이동에 기인한 높은 임계 기울기 임계값과 함께 높은 내성 특성을 보인다. 로컬 기하학적 시뮬레이션(GS2)을 통해 이온 온도 기울기 및 운동 에너지 볼로니아 모드보다도 ETG 모드가 우세함을 입증하였으며, 이는 E×B 전단에 의한 억제에도 불구하고 지속 가능하기 때문이다.

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.

연구 동기 및 목표

• 논문은 JET-ILW H모드 페달의 급격한 기울기 영역에서 지배적인 마이크로불안정성을 규명하고자 한다.
• 고전자 온도 기울기 기울기(ETG) 불안정성이 페달 전송 메커니즘에서 수행하는 역할을 분석하며, 특히 높은 전자 온도 기울기 기울기 조건 하에서의 역할을 다룬다.
• 연구는 ETG 모드가 E×B 전단에 얼마나 저항성이 있는지와 이들이 난류 전송에서 수행하는 잠재적 역할을 고려한다.
• 특히 측정된 이온 온도 프로파일 하에서 이온 온도 기울기(ITG) 및 운동 에너지 볼로니아 모드(KBMs)에 비해 ETG 모드의 지배적 우세성을 대비 분석한다.
• 이 목적에는 큰 축방향 파수에서 축방향 자기 이동에 의해 유도되는 새로운 종류의 토로이드형 ETG 모드의 특성 분석이 포함된다.

제안 방법

• JET-ILW 간헐적-ELM 방전(shot 92174)에 대해 로컬 선형 기하학적 시뮬레이션을 GS2 코드를 사용하여 수행하였다.
• 시뮬레이션은 토모그라피 스크래칭 및 전하 교환 방출을 통한 측정된 밀도, 온도 및 회전 프로파일을 사용하였다.
• 선형화된 기하학적 운동 방정식은 맥스웰 방정식과 함께 해석되어 수직 파수 범위(0.005 ≲ kyρi ≲ 400)에서 마이크로안정성을 분석하였다.
• 분석은 라디얼 전기장과 압력 기울기의 균형을 통해 추정된 E×B 전단 최대 영역에 집중하였다.
• 전자기 효과 및 E×B 전단 억제 효과를 평가하여 이들이 모드 성장률에 미치는 영향을 분석하였다.
• 수치적 근사 기반의 준선형적 접근법을 사용하여 지배적인 모드의 전송 기여도를 추정하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 JET-ILW 페달의 급격한 전자 온도 기울기 영역에서 지배적인 마이크로불안정성은 무엇인가?
• RQ2 이 새로운 토로이드형 ETG 모드는 일반적인 슬랩 또는 토로이드형 ETG 모드와 파수 구조 및 유도 메커니즘 측면에서 어떻게 다를까?
• RQ3 이 페달에서 E×B 전단에 의한 ETG 모드 억제 정도는 ITG 또는 KBM 모드에 비해 어느 정도인가?
• RQ4 큰 축방향 파수에서 축방향 자기 이동은 새로운 토로이드형 ETG 모드의 유도에 어떤 역할을 하는가?
• RQ5 이 방전에서 측정된 이온 온도 기울기는 ITG 불안정성의 임계 기울기 조건에 비해 어떻게 비교되는가?

주요 결과

• kyρi ≳0.1 영역에서, 강한 E×B 전단가 존재하더라도 JET-ILW 페달에서 전자 온도 기울기(ETG) 불안정성이 가장 빠르게 성장하는 모드이다.
• kyρi ≳1 영역에서 가장 빠르게 성장하는 모드는 Kxρe ∼1에서 작동하는 새로운 토로이드형 ETG 불안정성으로, 유한한 라이너 반경 효과가 뚜렷하게 나타남을 시사한다.
• 토로이드형 ETG 모드는 외측 중앙면에서 크게 떨어진 곳에서 유도되며, 축방향 파수(poloidal wavenumber)보다 크게 큰 라디얼 파수를 나타낸다.
• 이온 온도 기울기(ITG) 불안정성은 모든 척도에서 기울기 기울기가 부족하여 열등한 모드로 나타나며, 이는 임계 기울기 조건 근처에 가까운 상태이다.
• 운동 에너지 볼로니아 모드는 E×B 전단에 의해 억제되지만, ETG 모드는 전단에 대해 내성적이며, 이는 전송에서의 지배적 역할을 시사한다.
• 수치적 준선형 추정에 따르면, 새로운 토로이드형 ETG 불안정성은 하위 이온 라이너 척도에서 페달 전송에 핵심 기여를 한다.