[论文解读] 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 65

一句话总结

本研究在JET-ILW偏置放电的陡梯度区识别出一种新型环向电子温度梯度（ETG）不稳定性作为主导线性模态，其在亚离子拉莫尔尺度（kyρi ≳1）下驱动，具有较大的径向模数（Kxρe ∼1）。通过局部各态历经模拟（GS2）表明，ETG模态即使在强E×B剪切作用下仍主导于离子温度梯度模和动力学磁泡模，归因于其抗扰能力以及与磁几何结构和径向磁漂移相关的高临界梯度阈值。

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.

研究动机与目标

• 本文旨在识别JET-ILW H模偏置陡梯度区的主导微观不稳定性。
• 研究电子温度梯度（ETG）不稳定性在偏置输运中的作用，尤其关注高电子温度梯度背景下的表现。
• 考察ETG模态对E×B剪切的鲁棒性及其在湍流输运中的潜在作用。
• 对比ETG模态与次主导的离子温度梯度（ITG）模和动力学磁泡模（KBMs）的表现，特别是在实测离子温度分布下的差异。
• 目标包括表征一种由大径向模数下径向磁漂移驱动的新类型环向ETG模。

提出的方法

• 采用GS2代码对JET-ILW的非ELM放电（shot 92174）进行局部线性各态历经模拟。
• 模拟使用汤姆孙散射和电荷交换发射测得的密度、温度和旋转剖面。
• 联立求解线性化各态历经方程与麦克斯韦方程，分析在一系列垂直模数（0.005 ≲ kyρi ≲ 400）下的微稳定性。
• 分析聚焦于E×B剪切最大的径向区域，通过平衡径向电场与压强梯度估算该区域。
• 评估电磁效应和E×B剪切抑制对模态增长率的影响。
• 采用启发式准线性方法估算主导模态对输运的贡献。

实验结果

研究问题

• RQ1 在JET-ILW偏置的陡峭电子温度梯度区，主导的微观不稳定性是什么？
• RQ2 该新型环向ETG模与标准平面或环向ETG模在模数结构和驱动机制上有何不同？
• RQ3 在该偏置中，ETG模态受E×B剪切抑制的程度如何，相较于ITG或KBM模？
• RQ4 径向磁漂移在激发具有大径向模数的新环向ETG模中起什么作用？
• RQ5 实测离子温度梯度与该放电中ITG不稳定性临界阈值相比如何？

主要发现

• 对于kyρi ≳0.1，电子温度梯度（ETG）不稳定性是JET-ILW偏置中增长最快的模态，即使在强E×B剪切下依然如此。
• 在kyρi ≳1时，增长最快的模态是一种新型环向ETG不稳定性，其在Kxρe ∼1的尺度下被驱动，表明存在显著的有限拉莫尔半径效应。
• 该环向ETG模态在远离外侧中平面的位置被激发，其径向模数显著大于其极向模数。
• 由于离子温度梯度不够陡峭（接近临界阈值），离子温度梯度（ITG）不稳定性在所有尺度下均处于次主导地位。
• 动力学磁泡模受E×B剪切抑制，而ETG模态对剪切保持鲁棒，表明其在输运中起主导作用。
• 启发式准线性估算表明，该新型环向ETG不稳定性是偏置输运的关键贡献者，尤其在亚离子拉莫尔尺度下。