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Free boundary equilibrium in 3D tokamaks with toroidal rotation

トロイダル回転した3次元トカマクプラズマの平衡および高エネルギー粒子閉じ込め

Cooper, W. A.*; Brunetti, D.*; Faustin, J. M.*; Graves, J. P.*; Pfefferl$'e$, D.*; Raghunathan, M.*; Sauter, O.*; Tran, T. M.*; Chapman, I. T.*; Ham, C. J.*; 相羽 信行; The MAST Team*; JET Contributors*

Cooper, W. A.*; Brunetti, D.*; Faustin, J. M.*; Graves, J. P.*; Pfefferl$'e$, D.*; Raghunathan, M.*; Sauter, O.*; Tran, T. M.*; Chapman, I. T.*; Ham, C. J.*; Aiba, Nobuyuki; The MAST Team*; JET Contributors*

入れ子の磁気面を持つ一流体三次元MHD平衡にトロイダル回転を適切に考慮するモデルを開発した。このモデルは軸対称系における回転を考慮したMHD平衡を厳密に再現できる。このモデルは三次元的な変化の大きい領域でプラズマ回転のシアが無視できる場合に適用可能である。MAST装置におけるヘリカルコアを持つ平衡において、回転の影響は磁場構造に対しては小さいが圧力分布は大きく変化させることを示した。この圧力の変化は磁気軸付近の圧力の減少であり、回転によってさらなる3次元的な変化を引き起こすものではなかった。また、粒子軌道追跡コードVENUSを用いて3次元トカマクプラズマ中の高エネルギー粒子閉じ込めを調べた。プラズマがトロイダル回転をしている場合、粒子軌道はこの回転が作り出す静電ポテンシャルの影響を受ける。さらに、平衡の3次元性はオーム則に現れる座標に依存した項の影響を受け、これが高エネルギー粒子閉じ込めに大きな影響を与えることを示した。

An approximate model for a single fluid 3D MHD equilibrium with pure isothermal toroidal flow with imposed nested magnetic flux surfaces is proposed. It recovers the rigorous toroidal rotation equilibrium description in the axisymmetric limit. The approximation is valid under conditions of nearly rigid or vanishing toroidal rotation in regions with 3D deformation of the equilibrium flux surfaces. Bifurcated helical core equilibrium simulations of long-lived modes in the MAST device demonstrate that the magnetic structure is only weakly affected by the flow but that the 3D pressure distortion is important. The pressure is displaced away from the major axis and therefore is not as noticeably helically deformed as the toroidal magnetic flux under the subsonic flow conditions. Fast particle confinement is investigated with the VENUS code. In the presence of toroidal flow, the drift orbit equations depend on the electrostatic potential associated with the rotation and quasineutrality at lowest order in Larmor radius. When the equilibrium has 3D deformations, geometrical terms appear from the evaluation of Ohm's Law that considerably complicates the description of fast particle confinement.

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分野:Physics, Fluids & Plasmas

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