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Role of anomalous transport in onset and evolution of neoclassical tearing modes

S V Konovalov, A B Mikhailovskii, T Ozeki, T Takizuka, M S Shirokov, N Hayashi2005年Plasma Physics and Controlled FusionIF 2.2出版社

A key role in the evolution of the neoclassical tearing modes (NTMs) belongs to the radial profiles of the perturbed plasma flow, temperature and density which are determined by the conjunction of the longitudinal and cross-field transport arising from thermal conduction, particle diffusion and viscosity. In a tokamak, the perpendicular transport of particles, heat and momentum is typically anomalous. In this paper the results of theoretical studies on the influence of anomalous perpendicular heat transport and anomalous ion perpendicular viscosity on early stages of NTM evolution are presented. Several parallel transport mechanisms competitive with anomalous cross-island heat transport in the formation of the perturbed electron and ion temperature profiles within the island are considered. The perturbed electron temperature profile is established in competition between anomalous perpendicular electron heat conductivity and parallel electron heat convection. The formation of the ion perturbed temperature profile was found to be dependent on the island rotation frequency. The perpendicular ion heat conductivity is balanced by the parallel transport associated with the ion inertia for an island rotating with subsonic frequency or with island rotation with respect to the plasma for supersonic islands. The partial contributions from the plasma electron and ion temperature perturbations in the bootstrap drive of the mode and magnetic curvature effect were taken into account in construction of a generalized transport threshold model of NTMs. This model gives more favourable predictions for NTM stability and qualitatively modifies the scaling law for βonset. The anomalous perpendicular ion viscosity is shown to modify the collisionality dependence of the polarization current effect, reducing it to the low collisionality limit. In its turn a viscous contribution to the bootstrap drive of NTMs is found to be of the same order as a conventional bootstrap drive for the islands of width close to the characteristic one of the transport threshold model. A viscous contribution to the perturbed bootstrap current is destabilizing for the island rotating in the ion diamagnetic drift direction. In this case, an alternative threshold mechanism should be considered.

日本語訳

新古典テアリングモード(NTM)の進展における主要な役割は、摂動されたプラズマ流、温度、密度の径方向分布に帰属し、これらは熱伝導、粒子拡散、粘性による縦方向および横方向輸送の結合によって決定される。トカマクにおいて、粒子、熱、運動量の垂直方向輸送は典型的に異常性を示す。本論文では、NTM進展の初期段階における異常垂直熱輸送および異常イオン垂直粘性の影響に関する理論的研究の結果を提示する。島内部における摂動電子温度分布の形成は、異常垂直電子熱伝導と平行電子熱対流との競合によって確立される。摂動イオン温度分布の形成は、島の回転周波数に依存することが見出された。垂直イオン熱伝導は、亜音速回転する島におけるイオン慣性、または超音速回転する島におけるプラズマに対する島の回転に関連する平行輸送によって平衡する。プラズマ電子およびイオン温度摂動のブートストラップ駆動への部分的な寄与、ならびに磁気曲率効果は、NTMの一般化輸送閾値モデルの構築において考慮された。このモデルは、NTM安定性に対してより好都合な予測を与え、βオンセットのスケーリング則を定性的に修正する。異常イオン垂直粘性は、分極電流効果の衝突周波数依存性を修正し、低衝突周波数極限においてこれを低減することが示される。さらに、粘性によるブートストラップ駆動への寄与は、輸送閾値モデルの特性幅に近い島幅に対して、従来のブートストラップ駆動と同程度の大きさとなることが見出された。イオン反磁性ドリフト方向に回転する島に対して、摂動ブートストラップ電流への粘性寄与は不安定化要因として作用する。この場合、代替的な閾値メカニズムを考慮する必要がある。

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Tearing modeNeoclassical tearing modeAnomalous transport
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