This work presents a study of plasma transport at low aspect ratio on the National Spherical Torus Experiment tokamak, where the turbulent and neoclassical energy fluxes calculated by the quasilinear Trapped Gyro Landau Fluid (TGLF) model and the multi species drift-kinetic Neoclassical solver (NEO) are validated against experimental data. The turbulent energy transport of two plasma discharges, one in the L-mode confinement regime and another in the H-mode regime, is dominated by electrostatic drift-wave instabilities, while the ion heat transport has a significant neoclassical contribution. The data analysis workflow is described in detail to understand how the variations of mapping and fitting of experimental data affect the power balance solution and subsequent flux-matching plasma profile predictions with the TGYRO solver. On average, the predicted plasma profiles are consistent with experimental data. However, the solutions are sensitive to various input parameters, including boundary conditions, and the electron-ion coupling. Linear gyrokinetic stability analysis demonstrates close agreement of the real frequencies of unstable modes between TGLF and CGYRO gyrokinetic simulations, but higher growth rates are predicted by TGLF, especially for the H-mode case. Estimates of the low-k modes' contributions to the total flux are consistent with linear stability analysis and the E × B suppression of turbulence in TGLF simulations with the SAT1 saturation model, while the SAT2 saturation model over-predicts the low-k modes' contribution in the H-mode case. Moreover, the results with SAT1 model are consistent with power balance analysis, which indicates only neoclassical ion energy fluxes inside ρ < 0.4 in the L-mode case and in the H-mode case. The presence of multi-scale turbulence and ion-scale driven zonal flow mixing effects are also observed in TGLF scans of the electron turbulent heat flux over a range of temperature gradients and the electron-ion temperature ratio, which could explain the strong model sensitivity to variations of input parameters.
本研究は、National Spherical Torus Experimentトカマクにおける低アスペクト比でのプラズマ輸送の研究を提示する。そこでは、準線形のTrapped Gyro Landau Fluid（TGLF）モデルと多種ドリフト運動論的ニュークラシカルソルバー（NEO）によって計算された乱流およびニュークラシカルエネルギー束が実験データに対して検証される。2つのプラズマ放電（1つはLモード閉じ込め領域、もう1つはHモード領域）の乱流エネルギー輸送は静電的なドリフト波不安定性によって支配されており、一方、イオン熱輸送には有意なニュークラシカル寄与がある。データ解析ワークフローは、実験データのマッピングとフィッティングの変動がパワーバランス解とその後のTGYROソルバーによるフラックス整合プラズマプロファイル予測にどのように影響するかを理解するために詳細に記述される。平均的には、予測されたプラズマプロファイルは実験データと一致する。しかしながら、解は様々な入力パラメータ（境界条件や電子-イオン結合を含む）に敏感である。線形ジャイロ運動論的安定性解析は、TGLFとCGYROジャイロ運動論的シミュレーションの間で不安定モードの実周波数が密接に一致することを示すが、TGLFは特にHモードの場合においてより高い成長率を予測する。低kモードの全フラックスへの寄与の推定は、線形安定性解析およびSAT1飽和モデルを用いたTGLFシミュレーションにおけるE×Bによる乱流抑制と一致するが、SAT2飽和モデルはHモードの場合の低kモードの寄与を過大予測する。さらに、SAT1モデルを用いた結果はパワーバランス解析と一致し、Lモードの場合のρ < 0.4内部およびHモードの場合の 内部ではニュークラシカルイオンエネルギーフラックスのみが存在することを示す。マルチスケール乱流とイオンスケール駆動の帯状流混合効果の存在も、温度勾配と電子-イオン温度比の範囲にわたる電子乱流熱流束のTGLFスキャンにおいて観察され、これは入力パラメータの変動に対する強いモデル感度を説明する可能性がある。