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Isotope and plasma size scaling in ion temperature gradient driven turbulence

イオン温度勾配駆動乱流における同位体効果とプラズマサイズのスケーリング

井戸村 泰宏

Idomura, Yasuhiro

本論文では大域的full-fジャイロ運動論シミュレーションを用いてイオン温度勾配駆動(ITG)乱流が支配的な水素(H)および重水素(D)のLモードプラズマにおける水素同位体と規格化ジャイロ半径$$rho^*$$の影響を示す。断熱応答電子を用いたイオン加熱数値実験では、エネルギー閉じ込め時間はBohm的な$$rho^*$$スケーリングで決まり、水素同位体質量依存性は見られない。運動論的電子を用いた電子加熱数値実験は電子からイオンへの衝突性エネルギー移行に対する同位体効果に起因する明確な同位体質量依存性を示し、約1.4倍の加熱パワー比でH, Dプラズマは同様のイオン,電子温度分布を示す。H, Dプラズマの規格化無衝突イオンジャイロ運動論方程式は$$rho^*$$が同じ場合に等価となり、ITG乱流に対する衝突効果も弱い。このため、水素同位体質量依存性は主に$$rho^*$$スケーリングと加熱源によって決まる。

This Letter presents the impacts of the hydrogen isotope mass and the normalized gyroradius $$rho^*$$ on L-mode like hydrogen (H) and deuterium (D) plasmas dominated by ion temperature gradient driven (ITG) turbulence using global full-f gyrokinetic simulations. In ion heated numerical experiments with adiabatic electrons, the energy confinement time shows almost no isotope mass dependency, and is determined by Bohm like $$rho^*$$ scaling. Electron heated numerical experiments with kinetic electrons show clear isotope mass dependency caused by the isotope effect on the collisional energy transfer from electrons to ions, and the H and D plasmas show similar ion and electron temperature profiles at an H to D heating power ratio of $$sim 1.4$$. The normalized collisionless ion gyrokinetic equations for H and D plasmas become identical at the same $$rho^*$$, and collisions weakly affect ITG turbulence. Therefore, the isotope mass dependency is mainly contributed by the $$rho^*$$ scaling and the heating sources.

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分野:Physics, Fluids & Plasmas

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