Global kinetic simulations of neoclassical toroidal viscosity in low-collisional perturbed tokamak plasmas

低衝突摂動トカマクプラズマにおける新古典トロイダル粘性の大域的運動論シミュレーション

松岡 清吉 ; 井戸村 泰宏   ; 佐竹 真介*

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

軸対称磁場閉じ込め装置であるトカマク型プラズマにおいて、誤差磁場等に起因する3次元的な非軸対称成分を持つ摂動磁場の効果が閉じ込め性能向上や不安定性制御の観点から注目されている。近年、3次元摂動磁場が駆動する衝突性粘性について、従来より広く用いられてきたバウンス平均理論モデルと大域的運動論シミュレーションの両者で得られた結果が一致しないことが指摘され、その物理機構の解明が課題となっていた。本研究では、二つの異なるモデルに基づいた大域的運動論シミュレーションを用いて詳細な解析を行い、上記の差異が生じる物理機構について検討した。その結果、理論モデルと大域的シミュレーションの不一致が、(1)粒子軌道の効果によって粒子軌道の共鳴構造が失われ、粒子が実効的に感じる摂動磁場強度が弱まること、(2)粒子軌道に沿った位相混合により速度空間構造内に微細構造が生成され輸送量の減衰が起きること、の二つが原因であることを明らかにした。

In axisymmetric tokamak plasmas, effects of three-dimensional non-axisymmetric magnetic field perturbations caused by error fields etc. have attracted much attention from the view point of the control of the plasma performance and instabilities. Recent studies pointed out that there exists qualitative discrepancy in predicting the collisional viscosity driven by the perturbation between a theoretical bounce-averaged model and a global kinetic simulation. Clarifying the cause of the discrepancy by understanding the underlying mechanism is a key issue to establish a reliable basis for the NTV predictions. In this work, we perform two different kinds of global kinetic simulations for the NTV. As a result, it is first demonstrated that the discrepancy arises owing to the following two mechanisms related to the global particle orbit; (1) the effective magnitude of the perturbation becomes weak due to the loss of the resonant orbit, and (2) the phase mixing along the orbit arises and generates fine scale structures, resulting the damping of the NTV.