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Multi-scale turbulence simulation suggesting improvement of electron heated plasma confinement

マルチスケールシミュレーションによって示唆された電子加熱プラズマの熱輸送改善

前山 伸也*; 渡邉 智彦*; 仲田 資季*; 沼波 政倫*; 朝比 祐一   ; 石澤 明宏*

Maeyama, Shinya*; Watanabe, Tomohiko*; Nakata, Motoki*; Nunami, Masanori*; Asahi, Yuichi; Ishizawa, Akihiro*

乱流輸送は、磁場閉じ込め核融合プラズマを閉じ込めるための重要な物理過程である。最近の理論的,実験的研究により 小さい(電子)スケールと大きい(イオン)スケールの乱流の間にクロススケールの相互作用が存在することが明らかにされている。従来の乱流輸送モデルではクロススケール相互作用が考慮されていないため、将来の核燃焼プラズマ実験においてクロススケール相互作用を考慮する必要があるかどうかを明らかにする必要がある。核燃焼プラズマ実験では、核融合で生まれたアルファ粒子によって高い電子温度が維持されるため、プラズマの性質が今まで実験されてきたものと大きく異なると予測される。本論文では、スーパーコンピュータを用いたシミュレーションにより、高電子温度プラズマにおける電子スケールの 電子温度プラズマの乱流は、電子だけでなく燃料や灰の乱流輸送にも影響を与えることを明らかにした。電子スケールの乱流は、イオンスケールの微小的不安定性の原因である共鳴電子の軌道を乱し、大きなスケールの乱流揺らぎを抑制する。同時に、イオンスケールの乱流渦も電子スケールの乱流を抑制する。これらの結果は 異なるスケールの乱流が互いに排他的であることを示す。また、クロススケール相互作用により、熱流束が減少する可能性を示す。

Turbulent transport is a key physics process for confining magnetic fusion plasma. Recent theoretical and experimental studies of existing fusion experimental devices revealed the existence of cross-scale interactions between small (electron)-scale and large (ion)-scale turbulence. Since conventional turbulent transport modelling lacks cross-scale interactions, it should be clarified whether cross-scale interactions are needed to be considered in future experiments on burning plasma, whose high electron temperature is sustained with fusion-born alpha particle heating. Here, we present supercomputer simulations showing that electron scale turbulence in high electron temperature plasma can affect the turbulent transport of not only electrons but also fuels and ash. Electron-scale turbulence disturbs the trajectories of resonant electrons responsible for ion-scale micro-instability and suppresses large-scale turbulent fluctuations. Simultaneously, ion-scale turbulent eddies also suppress electron-scale turbulence. These results indicate a mutually exclusive nature of turbulence with disparate scales. We demonstrate the possibility of reduced heat flux via cross-scale interactions.

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