Full-f gyrokinetic simulations of hydrogen isotope mixing in tokamak plasmas

トカマクプラズマにおける水素同位体混合のfull-fジャイロ運動論シミュレーション

井戸村 泰宏   

Idomura, Yasuhiro

トカマクプラズマにおける水素同位体混合現象をfull-fジャイロ運動論シミュレーションを用いて解析した。モデルプラズマのパラメータは、重水素(D)ペレットを水素(H)プラズマに入射した後にエネルギー閉じ込め時間スケールで水素同位体混合が発生したJETの水素同位体ペレット実験に基づいて選択した。重水素ペレット入射前後のプラズマ分布を用いて2つの数値実験を行った。どちらの場合も、炉心の乱流揺動はイオン温度勾配駆動乱流によって特徴づけられるが、後者の場合、外側の領域に捕捉電子モード乱流が存在する。前者の場合、バルクHイオンの密度分布は準定常状態に保たれ、その粒子閉じ込め時間はエネルギー閉じ込め時間よりも一桁長い。後者の場合、バルクHイオンとペレットDイオンの密度分布は、エネルギー閉じ込め時間の時間スケールで過渡的な緩和を示し、早い水素同位体混合を示す。トロイダル角運動量バランスから、水素同位体混合はトロイダル電場応力によって駆動されることがわかった。

Hydrogen isotope mixing phenomena in tokamak plasmas are analyzed using global full-f gyrokinetic simulations. Model plasma parameters are chosen based on the hydrogen isotope pellet experiments on JET, in which hydrogen isotope mixing in the time scale of the energy confinement time occurred after injecting deuterium (D) pellets into hydrogen (H) plasmas. Two numerical experiments are conducted using plasma profiles before and after the D pellet injection. In both cases, turbulent fluctuations in the plasma core are characterized by ion temperature gradient driven turbulence, while in the latter case, trapped electron mode turbulence also exists in the outer region. In the former case, the density profile of bulk H ions is kept in a quasi-steady state, and the particle confinement time of bulk H ions is an order of magnitude longer than the energy confinement time. In the latter case, the density profiles of bulk H ions and pellet D ions show transient relaxation in the time scale of the energy confinement time, indicating the fast hydrogen isotope mixing. In the toroidal angular momentum balance, it is found that the hydrogen isotope mixing is driven by the toroidal field stress.