Generation of zonal flow and zonal magnetic field in tokamak plasmas

トカマクプラズマにおける帯状流・帯状磁場の生成

宮戸 直亮; 岸本 泰明; Li, J.*; 徳田 伸二

Miyato, Naoaki; Kishimoto, Yasuaki; Li, J.*; Tokuda, Shinji

トカマクプラズマ中の電磁的イオン温度勾配(ITG)乱流のグローバル流体シミュレーションを行い、電磁的ITG乱流による帯状磁場及び帯状流の生成を調べた。帯状磁場は低次の有理面でよく生成されることが知られている。今回の場合、安全係数qが2の有理面で最もよく生成される。しかし、偶数のトロイダルモードだけをとって計算した場合、q=1.5の有理面で最も強い帯状磁場が生成された。これは、偶数のトロイダルモードはq=1.5で共鳴するモードを含み、帯状磁場の生成に寄与するのに対し、奇数のトロイダルモードはq=1.5面において非共鳴なため帯状磁場を弱める方向に働くためである。一方、q=2はすべてのトロイダルモードが共鳴モードを持つので、トロイダルモードの取り方にはあまり影響されない。帯状流の生成については、静電的な場合と同様に、プラズマのほとんどのところで帯状流はレイノルズ応力により駆動され、geodesic transferが帯状流のエネルギーシンクになる。しかし、低次の有理面において、レイノルズ応力とgeodesic transferの寄与が逆転していることを発見した。

Generation of zonal flow (ZF) and zonal magnetic field (ZMF) is investigated by global fluid simulations of electromagnetic ion temperature gradient (ITG) driven turbulence. It is known that the ZMFs are generated well at low order rational surfaces. In our specific cases the ZMFs are excited the most strongly at the q=2 surface, where q is the safety factor. The ZMFs are excited the most strongly at the q=1.5 surface in the case with only even toroidal modes. This is because even toroidal modes resonant at q=1.5 make the ZMF at the q=1.5 surface, while non-resonant odd modes damp the ZMF at q=1.5. On the other hand, since all modes are resonant at q=2, the ZMF at the q=2 surface does not change significantly by the coarse choice of toroidal modes. On ZF generation, the Reynolds stress mainly drives the ZFs and the geodesic transfer is a sink for the ZFs at low beta. It is found that the Reynolds stress and geodesic transfer contributions change sign at low order rational surfaces.