Analysis of an aspect ratio effect on the stability of external MHD modes in tokamaks with the Newcomb equation

Newcomb方程式を用いたトカマクプラズマにおける外部MHDモードの安定性のアスペクト比依存性に関する研究

相羽 信行; 徳田 伸二; 石澤 朋子*

Aiba, Nobuyuki; Tokuda, Shinji; Ishizawa, Tomoko*

トカマク核融合装置において高性能プラズマを長時間保持することを実現するうえで、外部電磁流体(MHD)不安定性の発生を抑えることは重要な課題であり、特にこの不安定性のアスペクト比に対する依存性は装置設計を行ううえで考慮すべき要因の一つである。本研究ではこれまで開発を続けてきたMHD安定性解析コードMARG2Dの特徴である「広いトロイダルモード数nの範囲にわたって解析ができる」という特長を生かすことで、nが1から10までの外部MHDモードの安定性に対するアスペクト比の依存性を調べた。その結果、外部MHDモードから決まるプラズマ圧力の限界はアスペクト比を小さくすることで高くなることを確認した。またプラズマを囲む完全導体壁の位置がプラズマ表面に近い場合、アスペクト比が小さくなるにつれて圧力限界を決める外部モードのトロイダルモード数は大きくなることを示した。さらにこの原因が、アスペクト比を小さくしたことによって異なるポロイダルモード間のトロイダル結合が強くなり、その結果nの小さいモードを強く安定化する導体壁の影響が強く表れるためであることを、MARG2Dコードで得られる固有関数を比較することによって明らかにした。

We develop the method for the stability analysis of a ideal external magnetohydrodynamic (MHD) mode by solving the eigenvalue problem associated with the two-dimensional Newcomb equation, the inertia free linear ideal MHD equation. This eigenvalue problem can be expected to provide a powerful tool for not only a low-n external MHD mode but also a high-n mode, where n is a toroidal mode number. With this method, we analyze an effect of the aspect ratio on the stability of middle-n (1n10) external MHD modes in tokamaks; this gets attention for the design research of a high performance tokamak. As the result of this work, we study that external MHD modes become stable as the aspect ratio decreases, and also find that the stability of middle-n external modes becomes important because an effect of a conducting wall is enhanced by reducing the aspect ratio.