Profile formation and sustainment of autonomous tokamak plasma with current hole configuration

電流ホール配位自律性トカマクプラズマの分布形成・維持

林 伸彦; 滝塚 知典; 小関 隆久

Hayashi, Nobuhiko; Takizuka, Tomonori; Ozeki, Takahisa

電流ホール配位トカマクプラズマの分布形成と維持を、1.5次元輸送コードを用いて調べた。輸送コードでは、電流ホール内に三磁気島平衡に基づく電流制限モデルを適用した。異常輸送が負磁気シア領域内で急に減衰する輸送モデルが、JT-60Uで観測された分布の時間発展を再現できることがわかった。つまり、負磁気シア領域内では輸送は新古典レベルになり、その結果、大きなブートストラップ電流を介して内部輸送障壁と電流ホールがある分布が自律的に形成される。新古典レベルの輸送で決まる内部輸送障壁幅は、JT-60U実験とよく一致する。また、内部輸送障壁内に閉じ込められるエネルギーは、JT-60U閉じ込め則と一致する。この閉じ込め則は、電流ホールプラズマでは閉じ込めエネルギーが自律的に制限されることを意味する。大きな電流ホールを持つプラズマは、ブートストラップ電流による完全電流駆動により維持される。一方、小さな電流ホールでブートストラップ電流割合が小さいプラズマは、誘導電流の染込みにより収縮してしまう。適切な外部電流駆動により、この収縮を妨げ、さらに電流ホールの大きさを制御することができる。電流ホールプラズマが、外部電流駆動に対して自律的に反応することを明らかにした。

Profile formation and sustainment of tokamak plasmas with current hole (CH) have been investigated by using 1.5D transport simulations. A current limit model inside CH based on the Axisymmetric Tri-Magnetic-Islands equilibrium is introduced. We found that the sharp reduction of anomalous transport in the reversed-shear (RS) region can reproduce JT-60U experiment. The transport becomes neoclassical-level in RS region, which results in the autonomous formation of internal transport barrier (ITB) and CH through large bootstrap current. ITB width determined by neoclassical-level transport agrees with that in JT-60U. Energy confinement inside ITB agrees with JT-60U scaling, which means autonomous limitation of energy confinement. The plasma with large CH is sustained with the full current drive by bootstrap current. The plasma with small CH and small bootstrap current fraction shrinks due to inductive current penetration. This shrink is prevented and the CH size can be controlled by appropriate external current drive (CD). The CH plasma is found to respond autonomically to external CD.