Experimental identification of I-mode characteristics at the edge of FIRE mode in KSTAR

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著者

Chweeho Heo, SangJin Park, GyungJin Choi, Jaewook Kim, Eun-jin Kim, YoungMu Jeon, Minjun J. Choi, Hyunsun Han, Choongki Sung, TaikSoo Hahm, Yong-Su Na

装置

KSTAR（Korea Superconducting Tokamak Advanced Research）

研究分野の詳細

この研究は、核融合炉における高性能プラズマ閉じ込め状態の一つである「FIREモード（Fast Ion-Regulated Enhancement Mode）」のエッジ領域において、「Iモード（Improved energy confinement mode）」の特徴が現れるかどうかを調査するものです。特に、高速イオンが輸送障壁形成に寄与するFIREモードが、ELM（エッジ局在モード）を伴わない高閉じ込め状態を維持できるかどうかに注目しています。

論文の概要

本研究では、KSTARにおけるFIREモードのエッジ領域を詳細に解析し、そこに現れるIモード様の特徴を実験的に特定しました。特に、電子密度プロファイルがLモード水準でありながら、イオン温度ペデスタルが形成され、50 kHz付近にピークを持つ「Weakly Coherent Mode (WCM)」が観測されることを報告しています。WCMと低周波密度揺動との非線形相互作用や、ペデスタル構造との相関も分析されています。

何が明らかになったのか

1. FIREモードのエッジ領域にIモード様の特徴が存在：電子密度はLモード並みに低いままである一方で、イオン温度には明確なペデスタル構造が形成されており、Iモードの典型的特徴と一致。

2. WCMの観測とその意義：50 kHz前後でWCMが出現し、中間周波数帯（10–30 kHz）の揺動が抑制されるとWCMが顕著に見える。

3. WCMの強さと温度ペデスタルの高さに相関：WCMが強いほど、温度ペデスタルの高さが高い傾向。

4. WCMは実験室系でイオンダイアマグネティックドリフト方向に伝播：E×B枠での伝播方向は未決定。

5. 非線形スペクトル解析でゾーナル密度との結合を確認：WCMと低周波成分との非線形結合が、Hモード遷移に関連した調整機構（regulatory process）を示唆。

6. バースト現象の出現：WCMが強い時期にはペデスタル全体にわたって間欠的なバースト（PRE様）が観測される。

今後の展望

1. WCMのE×B枠での伝播方向の特定：シミュレーションにより、その起源が他のIモードと共通か評価する。

2. ゾーナル流（ZF）の直接的な証明：v⊥が測定できないため、密度揺動解析から間接的に確認する試み。

3. バーストと非線形相互作用の因果関係の解析：今後の実験でより正確な密度プロファイルを取得し、WCM、バースト、粒子輸送との関係を解明する。

4. GAMの不在理由の解明：低周波でのGAMの観測ができない理由として、測定感度不足や加熱強度による抑制の可能性を検証。