Fixed-gradient and fixed-flux full-f simulations of global ion temperature gradient driven turbulent transport

大域的イオン温度勾配駆動乱流の固定勾配及び固定熱流full-fシミュレーション

仲田 資季; 井戸村 泰宏   

Nakata, Motoki; Idomura, Yasuhiro

本研究ではイオン温度勾配駆動(ITG)乱流に対して、固定勾配(FG)、固定勾配(FF)、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。FFモデルを用いたイオン熱輸送レベルに関するプラズマサイズ依存性の調査を行った結果、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明らかとなった。詳細な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平均温度勾配からのずれと輸送のバースト現象を生じさせる物理機構を同定した。この物理機構はFFモデルに特有であるが、FG及びFTモデルとの比較では、乱流特性にいくつかの共通性も確認された。また、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依存性の検証を行った結果、FF及びFTモデルは衝突度に対する弱い依存性が確認されるが、FGモデルでは平衡分布の緩和過程に起因した非物理的な加熱によって強い依存性が現れることを明らかにした。

Fixed-flux(FF), fixed-gradient (FG), and local fluxtube (FT) gyrokinetic simulations are systematically compared for ion temperature gradient (ITG) driven turbulence. The plasma size scan in FF simulations show a Bohm like scaling even in a local limit regime, where profile shear effects are weak. It is found that depending on the plasma size and heating power, transient variations of a local power balance in avalanche propagation process produce different levels of super-critical states and burst amplitudes even at similar mean temperature gradients. This mechanism is unique to the FF model, while comparisons of turbulent characteristics in the local limit regime show some similarities among the FF, FG, and FT models. The collisionality dependence of the heat diffusivity is also verified through the comparisons. When the temperature gradient is far from the marginal stability, the FF and FT models give a weak collisionality dependence, while the FG model shows a strong collisionality dependence due to spurious heat sources induced by a relaxation of the plasma distribution towards a collisional equilibrium distribution.