Magnetohydrodynamic instability excited by interplay between a resistive wall mode and stable ideal magnetohydrodynamic modes in rotating tokamak plasmas

回転トカマクプラズマ中における抵抗性壁モードと安定なMHDモードとの相互作用によるMHDモードの不安定化

相羽 信行; 廣田 真*

Aiba, Nobuyuki; Hirota, Makoto*

回転トカマクプラズマ中におけるMHD不安定性の励起メカニズムを数値的に発見した。このメカニズムは抵抗性壁モードと安定なMHDモードとの相互作用である。トカマクプラズマが、負磁気シアアルヴェンモードのような安定な固有モードを持つ場合、この安定なモードのドップラーシフト周波数が0に近づいた際にMHD不安定性が励起される。この不安定化は、固有モードがアルヴェン連続スペクトル中にあっても引き起こされることから、高ベータ定常トカマクプラズマを原型炉などで実現する際には、プラズマの回転周波数帯に安定な固有モードが存在しないように安全係数分布を制御することが重要であることが本研究によって明らかにされた。また、この物理メカニズムを分散関係式を用いて解析することで、回転によって不安定モードが抵抗性壁モードから安定なMHDモードに切り替わることを陽に示すことに成功した。

A mechanism exciting magnetohydrodynamic (MHD) instabilities in rotating tokamak plasmas is found numerically for the first time. This mechanism is the interplay between a resistive wall mode (RWM) and a stable MHD mode. When the plasma has a stable discrete eigenmode, a reversed shear Alfvn eigenmode (RSAE) for example, a MHD mode is destabilized when plasma equilibrium rotation frequency is similar to the frequency of this stable eigenmode in a static equilibrium. This destabilization is also observed even when the eigenmode couples with Alfvn continua. This result suggests that for steady state high beta tokamaks, like DEMO, it is necessary to shape the safety factor profile in such a way that no stable eigenmode exists in the band of rotation frequency. With a dispersion relation, it was shown explicitly that plasma rotation switches the unstable mode from the RWM to the ideal MHD mode destabilized by wall resistivity.