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Gyrofluid simulation on the nonlinear excitation and radial structure of geodesic acoustic modes in ITG turbulence

ITG乱流における測地的音響モードの非線形励起と径方向構造のジャイロ流体シミュレーション

Li, J. Q.*; 岸本 泰明; 宮戸 直亮; 三木 一弘*; Anderson, J.*; Shi, B. R.*

Li, J. Q.*; Kishimoto, Yasuaki; Miyato, Naoaki; Miki, Kazuhiro*; Anderson, J.*; Shi, B. R.*

トカマクプラズマ中の測地的音響モード(GAM)の非線形励起と飽和及びその径方向構造を新規に開発したジャイロ流体モデルを用いて調べる。第一にイオン温度勾配(ITG)揺動とGAMについての従来の3場ジャイロ流体モデル化に対する経験的クロージャー関係を提出する。帯状流の減衰について理論的予測や他の運動論的計算と比較することによって正確に調べられる。それから局所コード及びそのグローバル版がITG乱流によるGAMの非線形励起シミュレーションに用いられる。これによりGAM不安定性が非線形駆動と無衝突減衰との競合の下で非線形的に励起されることが発見される。GAM不安定性に対するポンプ波の振幅の閾値は帯状流不安定性のそれよりも高い。一方、不安定なGAMはおもにランダウ減衰により飽和する。これは静的な帯状流とは異なる。さらにGAMの径方向構造が$$k_rrho_ileq 1.0$$であることが示される。これは純粋な帯状流のそれよりも短い。

The nonlinear excitation and saturation mechanism of geodesic acoustic mode (GAM), as well as its radial structure, in tokamak plasmas are investigated by applying a newly well-benchmarked gyrofluid model. At first, an empirical closure relation for the conventional three-field gyrofluid modeling is presented for ion temperature gradient (ITG) fluctuations and the GAMs. The zonal flow (ZF) damping is precisely examined by comparing with theoretical predictions and other kinetic calculations. Then, a local code and the global version are advanced to simulate the nonlinear excitation of the GAMs by ITG fluctuations. It is found that the GAM instability can be nonlinearly excited under the competition between the nonlinear driving and the collisionless damping. The pump amplitude threshold of the GAM instability is higher than that of the ZF instability. Meanwhile, the unstable GAMs are mainly saturated by the intrinsic Landau damping. Furthermore, the radial structure of the GAMs is shown as $$k_rrho_ileq 1.0$$.

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