Nonlinear acceleration of the electron inertia-dominated magnetohydrodynamic modes due to electron parallel compressibility

松本 太郎; 内藤 裕志*; 徳田 伸二; 岸本 泰明

Physics of Plasmas, 12(9), p.092505_1 - 092505_7, 2005/09

https://doi.org/10.1063/1.2042167

磁気流体力学(MHD)不安定性の研究は、プラズマを閉じ込める磁気面の保持/再生にかかわる、トカマク炉心プラズマ研究の中心課題である。核融合プラズマの中心部のような高温になると電気抵抗が小さくなるとともに、むしろ電子慣性,有限ラーマ半径等の非衝突効果(運動論的効果)が磁気再結合過程に深くかかわる。本研究では、ジャイロ運動論的粒子モデルを用いた3次元シミュレーションにより、磁気再結合を伴うMHD不安定性に対する運動論的効果の解明を目的とした。電子慣性の特徴的長さは電子スキン長であるが、それと比較して磁気再結合にかかわる他の素過程の特性長(イオンラーマ半径,抵抗層の厚さ等)が小さい場合、キンクモードは主として電子慣性によって誘起されると考えられる。しかし、このような電子慣性が支配的な運動論的キンクモードに対して、磁力線方向の電子圧縮性がわずかに存在する場合は、磁気再結合点近傍の電流構造を非線形的にY型からX型に変化させる。それゆえ、線形成長過程において電子慣性により支配されていたモードは、非線形的に成長率を加速させ、ある一定以上の成長率に達して内部崩壊に至ることが明らかとなった。また、このような非線形加速は、DTM等の内部モードに共通して現れる現象であることも判明した。

Generation of radial electric field induced by collisionless internal kink mode with density gradient

松本 太郎; 徳田 伸二; 岸本 泰明; 内藤 裕志*

Physics of Plasmas, 10(1), p.195 - 203, 2003/01

https://doi.org/10.1063/1.1528608

高温プラズマにおける磁力線の再結合現象の要因として、温度上昇に伴い低減する電子の衝突による抵抗に加えて、温度に依存しない電子慣性などのプラズマの粒子性に起因する運動論的な効果が重要な役割を担うと考えられる。本研究ではプラズマ中における鋸歯状振動の内部崩壊現象の非線形的な振る舞いを解明するために、ジャイロ運動論的粒子モデルに密度勾配の効果を考慮した無衝突m=1モードのシミュレーションを行ってきた。完全磁気再結合過程は変化させない程度の密度勾配が、自己形成径電場、すなわちm=0モードを生成し、この径電場が二次再結合及び安全係数分布の時間発展等の完全再結合後の現象を大きく変化させることが明かにされた。径電場の成長メカニズムは、イオンと電子のEBドリフトの差異により説明され、その差異は磁場方向の電子の速い運動が引き起こしている。m=1モードによる対照的なフローにより、一度径電場が引き起こされると、m=0モードがm=1モードと同レベルまで成長し、イオン反磁性方向にEBプラズマ回転を駆動する。完全再結合後の密度及び電流分布、そして安全係数の最小値は、m=1及びm=0モードによる非対称フローによって大きく影響される。

Gyro-kinetic particle simulation of m=1 internal kink mode in the presence of density gradient

松本 太郎; 徳田 伸二; 岸本 泰明; 滝塚 知典; 内藤 裕志*

プラズマ・核融合学会誌, 75(10), P. 1194, 1999/10

https://doi.org/10.1585/jspf.75.1188

プラズマにおける鋸歯状振動の内部崩壊現象の非線形的な振る舞いを解明するために、ジャイロ運動論的粒子モデルに密度勾配の効果を考慮し、円柱プラズマにおける運動論的m=1内部キンクモードのシミュレーションを行った。一様密度の場合の成長率よりも小さい反磁性周波数を与える密度勾配は、このモードの線形成長課程に及ぼす影響は小さく、プラズマは完全磁気再結合を伴って内部崩壊することが示された。しかし、再結合後に自己生成する径電場のために、非線形課程が大きく変化することが明らかになった、これは、一様密度の場合に得られたトロイダル電場の対照的な流れは、非一様密度の場合は密度勾配によって生じる径電場により対称性が破られることが原因と考えられる。この結果、電流の再集中が阻害され、二次的な磁力線再結合が抑制されることが明らかになった。本発表では、数値トカマク研究におけるこれらの成果を報告する。

Complex behavior of internal collapse due to self-generated radial electric field

松本 太郎; 徳田 伸二; 岸本 泰明; 滝塚 知典; 内藤 裕志*

Journal of Plasma and Fusion Research SERIES, Vol.2, p.97 - 100, 1999/00

プラズマ中における鋸歯状振動の内部崩壊現象の非線形的な振る舞いを解明するために、ジャイロ運動論的粒子モデルに密度勾配の効果を考慮し、円柱プラズマにおける運動論的m=1内部キンクモードのシミュレーションを行った。一様密度の場合の内部キンクモードの成長率よりも反磁性周波数が小さい場合、密度勾配は内部キンクモードの線形成長率に与える影響は小さく、磁力線の完全再結合が生じる。しかし、再結合後に自己生成する径電場のために、このモードの非線形過程が大きく変化する結果が得られた。一様密度の場合に得られたトロイダル電流の対称的な流れは、密度勾配によって生じる径電場により対称性が破られる。そのために電流の集中が阻害され、二次的な磁力線の再結合が制御されるという結果が得られた。本発表では、数値トカマク(NEXT)研究におけるこれらの成果を報告する。

Ideal MHD stability of high p plasmas and p collapse in JT-60U

小関 隆久; 安積 正史; 鎌田 裕; 石田 真一; 閨谷 譲; 徳田 伸二

Nuclear Fusion, 35(7), p.861 - 871, 1995/00

https://doi.org/10.1088/0029-5515/35/7/I09

高pプラズマの理想MHD安定性を解析することにより、JT-60Uで発生したpコラップスは、プラズマ圧力のピーク化により低下した低nキンクモードの安定限界に達したためであることを示した。ここでは、圧力分布、内部インダクタンスli、q/q及びpの、低nキンクモードと高nバルーニングモードによる安定限界(g値)への影響について、理論的に明らかにしている。ここで、g=t/(I/at)。圧力分布のビーク化は、高li(~1.2)と低li(~0.8)の両方のプラズマに対して、安定限界を下げている(g~2-1.5)。このとき、最大g値のpやq/qに対する依存性は弱い。圧力分布の平坦化は、高li(~1.2)のとき、大きく安定限界gを改善する(~5)。ただし、限界g値は、pの増加に伴い減少する。実験的には、平坦な圧力分布で高li(1.2)のとき、pコラップスは観測されなかった。この結果は、計算結果と矛盾しない。

Stability analysis of external kink mode for ITER L-mode profile plasmas

徳田 伸二; 小関 隆久

JAERI-Research 94-013, 16 Pages, 1994/09

JAERI-Research-94-013.pdf:0.66MB

ITERにおいて予想されるLモード分布のn=1外部キンクモードに対する安定性解析を行った(n:トロイダルモード数)。Lモード分布が想定した電流分布をもつ場合では、プラズマ周辺部で小さいが有限の電流があっても、キンクモードのベータ値限界(g)は設計値g=2.0~2.4より十分に高い。しかしながら、qが1より小さい場合、キンクモードのベータ値限界はかなり減少する(q:磁気軸での安全係数)。たとえば、q=0.8で導体壁のない場合、gは1である。中心面近くに置かれた導体壁にはヌル点近くに置かれた導体壁よりも強い安定化効果がある。

Effects of a hollow current profile on the ideal MHD stability of high plasmas in a tokamak

小関 隆久; 安積 正史; 徳田 伸二; 石田 真一

Nuclear Fusion, 33(7), p.1025 - 1035, 1993/00

https://doi.org/10.1088/0029-5515/33/7/I06

トカマクにおける、n=1内部キンクモード、n=バルーニングモード及びインファーナルモードへの電流分布の影響を数値的に解析した。円形断面でピークした圧力分布を持ったプラズマの安定性を、次の3つの電流分布に対して調べた。すなわち、パラボリック、フラット、反転したq分布を持つホローな電流分布である。低ベータにおいて(0.5)、電流分布のn=1キンク安定性の影響は小さいが、インファーナルモードがホローな電流分布のときに現われる。高ベータの状態では(0.5)、ホローな電流分布において、n=1内部キンクモードの成長率が大きくなり、高いqmin(2)領域まで不安定領域が広がる。圧力分布がさらにピークすると、ホローな電流分布においても、n=1キンクモードとバルーニングモードの不安定領域は縮小し、インファーナルモードは消える。

Ideal MHD stability of pellet fuelled plasmas in JT-60

小関 隆久; 安積 正史; 鎌田 裕; 芳野 隆治; 徳田 伸二; 常松 俊秀; 永島 圭介; 吉田 英俊; 永見 正幸

Nuclear Fusion, 31(1), p.51 - 60, 1991/00

https://doi.org/10.1088/0029-5515/31/1/005

JT-60におけるペレット入射プラズマについて、理想高nバルーニングモードと低nキンクモードの安定性について解析した。ペレット入射プラズマは、q=1有理面の内側で強くピークした圧力分布を持っている。ペレット入射時に観測された圧力勾配は、q=1面のすぐ内側で理想高nバルーニング限界に達している。この磁気面で限界値に達した後、限界近く安定な磁気面はq=1面内で広がる。しかし、q=1面内のポロイダルベータは、理想バルーニングモードで制限される値に達していない。低nキンクモードの計算結果と実験的に観測された値を解析すると、実験的に達成した最大のは、n=1内部キンクモードによる限界値と一致する。

キンク・バルーニング安定性に対する電流分布の影響

小関 隆久; 安積 正史; 石田 真一; 小出 芳彦; 徳田 伸二

JAERI-M 90-180, 16 Pages, 1990/10

JAERI-M-90-180.pdf:0.39MB

キンク・バルーニング安定性に対する電流分布の影響を線形理想MHD安定性解析コードERATO-Jを用いて数値的に解析した。ここでは、円形断面でピークした圧力分布を持つ高プラズマの安定性を、次の3つの電流分布に対して検討した。すなわち、パラボリック、フラット、及びホローな電流分布である。低ベータプラズマ(0.5)においては、電流分布の違いによる不安定成長率や不安定領域への影響は小さい。一方、高ベータプラズマ(0.5)になると、ホローな電流分布では、成長率が増大して不安定領域が広がり、q2においても不安定となる。JT-60高実験では、速い時定数(~100s)を持った崩壊が、m=3のモードと共に観測された。実験で得られた平衡を再構成し、キンク・バルーニングモードの安定性を解析した結果、限界は、崩壊のときのの実測値とよい一致を示した。

JT-60ダイバータ配位における真空磁場摂動のERATOコードによる解析

小関 隆久; 徳田 伸二; 常松 俊秀; 石田 真一; 閨谷 譲; 伊丹 潔; 安積 正史

JAERI-M 89-087, 24 Pages, 1989/07

JAERI-M-89-087.pdf:0.57MB

線形理想MHD解析コードERATO-Jを用いて、キンクモードによる真空磁場摂動のポロイダル分布及び位相の、アスペクト比、高ベータ、X点、及びシェルの形状に対する依存性を調べた。磁場摂動は、低アスペクト比になるにつれ、トーラスの内側で大きくなり、高ベータになるにつれ、トーラスの外側で大きくなる。また、ポロイダル平衡磁場の停留(X点)があると、X点近傍で、磁場摂動は小さくなる事が示された。JT-60外側X点ダイバータ配位で観測された磁場摂動のポロイダル分布を、ERATO-Jによる計算結果と比較した。その結果、観測結果は、真空容器を導電性シェルとしたキンク不安定に対する計算結果と良く一致し、磁場摂動のポロイダル分布の不均一は、ベータ効果、X点効果、シェルの形状などで説明できる事が示された。