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Plasma size and collisionality scaling of ion-temperature-gradient-driven turbulence

イオン温度勾配駆動乱流輸送におけるプラズマサイズ及び衝突度スケーリング

仲田 資季; 井戸村 泰宏

Nakata, Motoki; Idomura, Yasuhiro

イオン温度勾配駆動(ITG)乱流に対して、固定熱流(FF), 固定勾配(FG)、及び局所フラックスチューブ(FT)モデルに基づくジャイロ運動論シミュレーションを用いたモデル間比較を行った。温度勾配が臨界安定よりも十分大きな状態において熱輸送係数の衝突度($$nu^{ast}$$)依存性の検証を行った結果、FF及びFTモデルにおいては衝突度に対する弱い依存性が確認され、関連する物理機構を明らかにした。一方、FGモデルに対しては、固定勾配を実現する可変ソースがITG安定性を変化させることによって乱流熱輸送レベルに強い衝突度依存性をもたらす物理機構を明らかにした。また、FFモデルを用いたプラズマサイズ($$rho^{ast}$$)依存性の調査を行い、分布シアの効果が弱くなる局所極限領域においても熱輸送スケーリングがボーム依存性を示すことが確認された。乱流データ解析の結果、平均温度勾配が同様の値を示していても、雪崩的輸送現象に付随した過渡的なパワーバランスの変化がボーム的熱輸送を生じさせるといったFFモデル特有の輸送機構を明らかにした。さらに、乱流輸送についての統計的性質を比較し、FF, FG及びFTモデル間の差異や共通性を示した。

Fixed-flux (FF), fixed-gradient (FG), and local fluxtube (FT) gyrokinetic simulations are systematically compared for ion temperature gradient (ITG) driven turbulence. The collisionality ($$nu^{ast}$$) dependence of ion heat diffusivity is verified through the inter-model comparisons. When the temperature gradient is far from the nonlinear critical value, the FF and FT models give a weak $$nu^{ast}$$-dependence, while the FG model shows a strong $$nu^{ast}$$-dependence. It has been revealed that the FG model provides such strong $$nu^{ast}$$-dependence through the change of ITG-mode stability due to $$nu^{ast}$$-dependent deformation of the velocity distribution function. The plasma size ($$rho^{ast}$$) scan in the FF simulations show a Bohm like transport scaling even in a local limit regime, $$rho^{ast -1} ge 300$$, where profile shear effects are weak. It has been clarified that the transient variations of local power balance are essential mechanisms leading to the Bohm like heat transport even at similar mean temperature gradients, where the burst amplitude and its frequency increase with the plasma size and the heating power. The mechanism is unique to the FF model. Comparisons of statistical characteristics in the local limit regime show differences in frequency spectra and probability density functions of the heat flux, while zonal flow structures and avalanche propagations properties are similar among these models.

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分野:Physics, Fluids & Plasmas

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