Simulations on the nonlinear mode coupling in multiple-scale drift-type turbulence with coherent flow structures

コヒーレントな流れ構造を持つ多階層ドリフト波乱流における非線形モード間結合についてのシミュレーション研究

Li, J.*; 鵜沢 憲*; Lin, Z.*; 岸本 泰明; 宮戸 直亮; 松本 太郎; Dong, J. Q.*

Li, J.*; Uzawa, Ken*; Lin, Z.*; Kishimoto, Yasuaki; Miyato, Naoaki; Matsumoto, Taro; Dong, J. Q.*

トカマクプラズマ中の多階層乱流において、定常波として振る舞う2次の非等方コヒーレント構造、すなわち、帯状流/平衡流,ストリーマー及び低周波長波長の揺動などのダイナミクスを3次元シミュレーション及び2次元モデル解析によって調べる。とりわけ、イオン温度勾配(ITG)及び電子温度勾配(ETG)駆動乱流と2次構造間の相互作用における非線形モード間結合の役割を議論する。非線形モード間結合の重要性を示す2つの結果を得た。(1)2次的な帯状流と長波長モードが非線形モード間結合を通して生成される一方、それらは乱流の慣性領域のスペクトル構造をべき則から指数則へと変化させる。(2)最も不安定なETGモードから駆動されるストリーマー様の長波長揺動が、トカマクプラズマにおけるトロイダルモード結合に相当するモード間結合を通してスラブETG乱流を飽和させうる。これは低いETG揺動レベルと電子輸送を示すものである。さらにITG乱流により生成される帯状流を、ETG乱流での帯状流生成における平衡流とみなした場合の効果も、非線形モード間結合の役割に重きをおいて議論する。

The dynamics of secondary, anisotropic coherent structures behaving as a stationary wave, including zonal/mean flows, streamers and low-frequency long wavelength fluctuations, in multiple-scale turbulence in tokamak plasmas is investigated by performing 3D simulations as well as 2D modeling analyses. The role of nonlinear mode coupling is specifically discussed as a ubiquitous principal interaction mechanism in the dual processes of the generation and back-action of secondary structures on ITG and ETG turbulence. Here two new results are evidently presented on the importance of the mode coupling interaction: (1) While secondary zonal flows and long wavelength modes are generated through nonlinear mode coupling, the same back-action process can deform the spectral distribution in inertia range from the power-law scaling into an exponential-law dependence. The turbulence may be reduced due to the local and/or nonlocal free energy transfer to stable region. (2) Streamer-like long wavelength fluctuations driven by the most unstable ETG modes, can saturate slab ETG turbulence through producing a -mode coupling that corresponds to the toroidal mode coupling in tokamak plasma, suggesting a low ETG fluctuation level and electron transport. Furthermore, the effect of ITG generated zonal flows regarded as a wave-type mean flow on the generation of zonal flows in ETG turbulence is also discussed with an emphasis on the role of nonlinear mode coupling.