Analysis of collapse phenomena in heliotron plasma based on paradigm shift including net current

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2022年度は、2021年度まで行ってきた圧力駆動型モードの非線形遷移について拡張を行った。2021年度では、ヘリオトロン配位において正味トロイダル電流が流れた場合について、交換型モードから非共鳴の圧力駆動型モードへの非線形遷移が生じうることを示した。一方、ヘリオトロン配位である大型ヘリカル装置での実験では、トーラスプラズマの小半径を小さくしてアスペクト比を大きくした場合には、正味トロイダル電流を流さなくてもベータ値を上昇させた際に崩壊現象が観測されている。この場合においても、崩壊時の支配的な成分のモード数は(m,n)=(1,1)である。この観測結果は、モード数が大きいほど線形成長率が大きいという、圧力駆動型不安定性に対する線形理論では説明ができない。そこで、この配位に対して、3次元MHD数値シミュレーションを行った。実験に対応する磁場配位を用い、ベータ値が2.4%、2.6%、3.2%、3.7%での、正味トロイダル電流のない三次元平衡をHINTコードを用いて計算した。そして、それぞれの平衡に対して、MIPSコードを用いて、摂動の時間発展を追跡した。その結果、どの平衡においても、線形領域では、典型的な交換型不安定性が支配的に成長した。しかし、非線形領域では、ベータ値によって様相が異なっている。ベータ値が2.6%以下の場合には、線形領域で支配的であった(2.2)成分が、そのまま支配的となり、全圧力の分布は横長に変形して崩壊する。これに対して、ベータ値が3.2%以上の場合には、支配的な成分が線形領域での(3,3)成分から(1,1)成分へと移行する。全圧力分布においても、コア領域が一方向へシフトする変形を伴った崩壊が見られた。この結果は、アスペクト比が大きい場合には、ベータ値が高くなると高モード数の交換型モードから(1,1)成分への非線形遷移が生じ得ることを示唆している。