トロイダルITG/ETG乱流における非線形エントロピー伝達過程

Nonlinear entropy transfer processes in toroidal ITG/ETG turbulence

仲田 資季; 渡邉 智彦*; 洲鎌 英雄*; 井戸村 泰宏   

Nakata, Motoki; Watanabe, Tomohiko*; Sugama, Hideo*; Idomura, Yasuhiro

磁場閉じ込めプラズマ中の乱流熱輸送レベルの定量的評価において、乱流中に形成されるゾーナルフローやストリーマーといったメゾスケールの流れ構造と乱流渦との非線形相互作用過程の理解が重要な課題となる。本研究では、ジャイロ運動論的シミュレーションによって上記の非線形相互作用過程を詳細に調べ、トロイダルITGあるいはETG乱流の間の異なる揺らぎ(エントロピー)の伝達過程と熱輸送レベルとの関連を明らかにした。トロイダルITG乱流では、線形不安定性の飽和時に乱流からゾーナルフローへのエントロピー伝達が卓越し、効果的に強いゾーナルフローが形成される。そして、強いゾーナルフローを伴う定常乱流状態では、乱流からゾーナルフロー自身へのエントロピー伝達は極めて弱く、かわりに、輸送を駆動している乱流モードから小半径方向により小さなスケールを持つ乱流モードへの、ゾーナルフローを介したエントロピー伝達が卓越することが明らかになった。一方、ストリーマー構造が支配的となるトロイダルETG乱流では、不安定性の飽和時あるいは定常状態のどちらにおいても、低波数の乱流モード間でのエントロピー伝達が支配的であることが示された。

In this study, the nonlinear interactions among turbulent vortices and turbulence-induced meso-scale flows, e.g., zonal flows or streamers have been investigated by means of gyrokinetic simulations. Signifiant differences of nonlinear fluctuation (or entropy) transfer processes, which are relevant to the resultant transport levels in the toroidal ITG and ETG turbulence, have been clarified. In the ITG turbulence, nonlinearly generated zonal flows enhance the entropy transfer among non-zonal modes, i.e., the entropy of non-zonal modes is successively transferred to the other non-zonal modes with smaller scales (but with less contribution to the heat flux). On the other hand, in the ETG turbulence, the role of zonal flows in the entropy transfer to smaller scales is much weaker than that in the ITG case. Then, the entropy transfer processes are confined within the non-zonal modes with larger scales where the higher transport level is sustained.