Dynamics of enhanced neoclassical particle transport of tracer impurity ions in ion temperature gradient driven turbulence

イオン温度勾配駆動乱流におけるトレーサ不純物イオンの拡張新古典粒子輸送ダイナミクス

井戸村 泰宏   ; Obrejan, K.*; 朝比 祐一   ; 本多 充*

Idomura, Yasuhiro; Obrejan, K.*; Asahi, Yuichi; Honda, Mitsuru*

運動論的電子,バルクイオン,低Zおよび中Zのトレーサ不純物を含む大域的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)乱流におけるトレーサ不純物輸送を調べた。この結果、乱流粒子輸送に加えて、乱流輸送と新古典輸送の相乗効果による拡張新古典輸送がトレーサ不純物輸送に大きく寄与することがわかった。ITGモードのバースト的励起が電子とバルクイオンの非両極性乱流粒子束を生成し、これが両極性条件に従う径電場の速い成長をもたらす。これに伴う流の発散が磁気ドリフトによる輸送に関連する上下非対称な密度揺動を圧縮する。この密度揺動の振幅は圧縮効果と磁力線方向運動による帰還電流の競合によって決まるため、拡張新古典輸送はイオン質量に依存する。この機構は温度には働かず、粒子輸送のみを選択的に増大する。

Tracer impurity transport in ion temperature gradient driven (ITG) turbulence is investigated using a global full- gyrokinetic simulation including kinetic electrons, bulk ions, and low to medium tracer impurities, where is the charge number. It is found that in addition to turbulent particle transport, enhanced neoclassical particle transport due to a new synergy effect between turbulent and neoclassical transports makes a significant contribution to tracer impurity transport. Bursty excitation of the ITG mode generates non-ambipolar turbulent particle fluxes of electrons and bulk ions, leading to a fast growth of the radial electric field following the ambipolar condition. The divergence of flows compresses up-down asymmetric density perturbations, which are subject to transport induced by the magnetic drift. The enhanced neoclassical particle transport depends on the ion mass, because the magnitude of up-down asymmetric density perturbation is determined by a competition between the compression effect and the return current given by the parallel streaming motion. This mechanism does not work for the temperature, and thus, selectively enhances only particle transport.