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Effects of equilibrium radial electric field on ion temperature gradient instability in the scrape-off layer of a field-reversed configuration

W H Wang, J Bao, X S Wei, Z Lin, G J Choi, S Dettrick, A Kuley, C Lau, P F Liu, T Tajima2021年Plasma Physics and Controlled FusionIF 2.2出版社

Linear and nonlinear effects of the equilibrium radial electric field on the ion temperature gradient (ITG) instability in the scrape-off layer (SOL) of a field-reversed configuration have been studied using gyrokinetic particle simulations for a single toroidal mode. Linear simulations with adiabatic electrons find that the flow shear reduces the growth rate and causes a radial tilting of the mode structure on the toroidal plane. Nonlinear simulations find that the flow shear significantly decreases ITG saturation amplitude and ion heat transport in the SOL by reducing both turbulence intensity and eddy size. The turbulence intensity is determined by fluid eddy rotation, which is the dominant saturation mechanism for the SOL ITG instability with a single toroidal mode number. On the other hand, parallel wave-particle decorrelation is the dominant mechanism for the SOL ITG turbulent transport. A random walk model using the guiding center radial excursion as the characteristic length scale and the eddy turnover time as the characteristic time scale fits very well to the scaling of ion heat conductivity with the flow shear.

日本語訳

場反転配位のスクレイプオフ層(SOL)におけるイオン温度勾配(ITG)不安定性に対する平衡径電場の線形および非線形効果を、単一トロイダルモードに対するジャイロ運動論的粒子シミュレーションを用いて研究した。断熱電子を用いた線形シミュレーションでは、流れのシアが成長率を低減し、トロイダル面上でモード構造の径方向の傾斜を引き起こすことが見出された。非線形シミュレーションでは、流れのシアが乱流強度と渦サイズの両方を低減することにより、SOLにおけるITG飽和振幅とイオン熱輸送を有意に減少させることが見出された。乱流強度は流体渦回転によって決定され、これが単一トロイダルモード数に対するSOLのITG不安定性の支配的な飽和機構である。一方、平行方向の波-粒子脱相関がSOLのITG乱流輸送の支配的機構である。ガイド中心の径方向変位を特性長スケールとし、渦回転時間を特性時間スケールとするランダムウォークモデルは、流れのシアに対するイオン熱伝導率のスケーリングに非常によく適合する。

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Scrape-off layerRadial electric fieldIon temperature gradientField-Reversed Configuration
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