低衝突周波数領域における新古典粘性トロイダル粘性についての大域的運動論シミュレーション研究

Numerical studies on the neoclassical toroidal viscosity in low collisional plasmas by global kinetic simulations

松岡 清吉 ; 井戸村 泰宏   ; 佐竹 真介*

Matsuoka, Seikichi; Idomura, Yasuhiro; Satake, Shinsuke*

磁場構造が軸対称性をもつトカマク型装置において、非軸対称成分を持つ摂動磁場の効果が注目されている。磁場の非軸対象成分は新古典トロイダル粘性(NTV)と呼ばれる衝突性輸送に起因した粘性を駆動し、それがプラズマ回転分布に影響を与えるため、プラズマ回転を利用したプラズマ閉じ込め性能向上や不安定性制御の観点からNTVは重要な研究対象となっている。近年、摂動磁場によるNTV解析について、バウンス平均モデルに基づくSuperbanana-plateau理論と大域的運動論シミュレーションによる結果が一致しないことが指摘され、その不一致の原因となる物理機構の解明が課題となっていた。本研究では、物理モデルや計算手法について2つの異なる大域的運動論シミュレーションを用いてNTV解析を行い、理論モデルとの齟齬について検討した。その結果、(1)Superbanana-plateau理論で仮定されている歳差運動周波数の共鳴条件に不備があること、(2)摂動磁場による粒子軌道の遷移過程、の二つが理論において考慮されておらず、それらにより理論と大域的運動論シミュレーションによるNTV解析結果の不一致が生じていることを明らかにした。

Effects of non-axisymmetric magnetic field perturbations in tokamak devices in which the magnetic field is axisymmetric have attracted much attention. The non-axisymmetric perturbations produces the so-called neoclassical toroidal viscosity (NTV), which is caused by collisional processes in a plasma. The NTV can make influence on the plasma rotation, which plays a key role in controlling a confinement performance and instabilities. Recently, however, it was pointed out that severe discrepancy exists with regard to the evaluation of the NTV between a Superbanana-plateau theory based on the bounce-averaged particle orbit and a global kinetic simulation. Clarifying physical mechanisms that causes the discrepancy is crucial for precise evaluation/prediction of the NTV. In this work, we perform two different types of global kinetic simulations, of which physical and numerical models are quite different from each other to resolve the issue. As a result, it is demonstrated that the discrepancy arises owing to the lack of the following two mechanisms in the theory; (1) insufficient resonance condition with regard to the precession drift, and (2) the transition processes of the particle orbit caused by the non-axisymmetric perturbations.