Particle transport in tokamak plasmas; Theory and experiment

トカマクプラズマでの粒子輸送; 理論と実験

Angioni, C.*; Fable, E.*; Greenwald, M.*; Maslov, M.*; Peeters, A. G.*; 竹永 秀信; Weisen, H.*

Angioni, C.*; Fable, E.*; Greenwald, M.*; Maslov, M.*; Peeters, A. G.*; Takenaga, Hidenobu; Weisen, H.*

トカマクプラズマにおける粒子輸送を決定する物理機構について、実験結果と理論予測との比較を行った。ここでは、乱流による粒子対流を引き起こす主な物理機構を理論的に特徴づけるため、ジャイロ運動論的方程式をもとにした簡単な解析的導出法から評価した指標を用いた。最初にトカマクプラズマにおける粒子輸送に関する実験結果を示し、次に理論的な予測との整合性について議論した。異なる領域のもとでは異なるプラズマパラメータ依存性を示すなど、複雑な特徴を示す理論予測と、同じく複雑な特徴を示す実験結果の間で定性的な一致が得られた。一部の実験データに関しては、理論予測と定量的な一致が得られた。これらの結果により、マクロ的な輸送特性とマイクロ乱流特性の直接的な関連を示すと同時に、マクロ不安定性と乱流の枠組みがトカマクプラズマでの粒子輸送をおもに引き起こしているという重要な確証を得た。最終的に、これらの結果が核融合炉での密度分布ピーキング度の予測に与える影響について明らかにした。

The physical processes producing electron particle transport in the core of tokamak plasmas are described. Starting from the gyrokinetic equation, a simple analytical derivation is used as guidance to illustrate the main mechanisms driving turbulent particle convection. A review of the experimental observations on particle transport in tokamaks is presented and the consistency with the theoretical predictions is discussed. An overall qualitative agreement, and in some cases even a specific quantitative agreement, emerges between complex theoretical predictions and equally complex experimental observations, exhibiting different dependences on plasma parameters under different regimes. By these results, the direct connection between macroscopic transport properties and the character of microscopic turbulence is pointed out, and an important confirmation of the paradigma of microinstabilities and turbulence as the main cause of transport in the core of tokamaks is obtained. Finally, the impact of these results on the prediction of the peaking of the electron density profile in a fusion reactor is illustrated.