A wide variety of magnetically confined plasmas, including many tokamaks suchas the JET, TFTR, JT-60U, DIII-D, RTP, show clear evidence for the existenceof the so-called `internal transport barriers' (ITBs) which are regions ofrelatively good confinement, associated with substantial gradients intemperature and/or density. A computational approach to investigating theproperties of tokamak plasma turbulence and transport is developed. Thisapproach is based on the evolution of global, two-fluid, nonlinear,electromagnetic plasma equations of motion with specified sources. In thispaper, the computational model is applied to the problem of determining thenature and physical characteristics of barrier phenomena, with particularreference to RTP (electron-cyclotron resonance heated) and JET (neutral beamheated) observations of ITBs. The simulations capture features associated withthe formation of these ITBs, and qualitativelyreproduce some of the observations made on RTP and JET. The picture of plasmaturbulence suggested involves variations of temperature and density profilesinduced by the electromagnetic fluctuations, on length scales intermediatebetween the system size and the ion Larmor radius, and time scalesintermediate between the confinement time and the Alfvén time(collectively termed `mesoscales'). The back-reaction of such profile`corrugations' (features exhibiting relatively high local spatial gradientsand rapid time variations) on the development and saturation of the turbulenceitself plays a key role in the nonlinear dynamics of the system. Thecorrugations are found to modify the dynamical evolution of radial electricfield shear and the bootstrap current density, which in turn influence theturbulence. The interaction is mediated by relatively long wavelength,electromagnetic modes excited by an inverse cascade and involving nonlinearinstabilities and relaxation phenomena such as intermittency and internal mode locking.
多種多様な磁気閉じ込めプラズマ、例えばJET、TFTR、JT-60U、DIII-D、RTPなどの多くのトカマクにおいて、いわゆる「内部輸送障壁」（ITB）の存在を示す明確な証拠が得られている。これらは、温度および/または密度の大きな勾配を伴う、比較的良好な閉じ込めの領域である。トカマクプラズマの乱流と輸送の特性を調べるための計算手法を開発した。この手法は、指定された源を伴う大域的、二流体、非線形、電磁的なプラズマ運動方程式の時間発展に基づいている。本論文では、この計算モデルを、特にRTP（電子サイクロトロン共鳴加熱）およびJET（中性粒子ビーム加熱）におけるITB観測を参照しつつ、障壁現象の性質と特徴を決定する問題に適用する。シミュレーションは、これらのITBの形成に関連する特徴を再現し、RTPおよびJETで行われた観測の一部を定性的に再現する。提案されるプラズマ乱流の描像は、イオンラーマー半径とシステムサイズの中間の長さスケール、およびアルフヴェン時間と閉じ込め時間の中間の時間スケール（総称して「メソスケール」と呼ばれる）における電磁的変動によって誘起される温度および密度プロファイルの変動を含む。このようなプロファイルの「起伏」（比較的高い局所勾配と速い時間変動を示す特徴）が、乱流自体の発展と飽和に及ぼす逆反応は、非線形ダイナミクスにおいて重要な役割を果たす。これらの起伏は、動径電場シアーとブートストラップ電流密度の時間発展を変化させることが見出され、それがさらに乱流に影響を及ぼす。この相互作用は、逆カスケードによって励起され、間欠性や内部モードロッキングなどの非線形不安定性および緩和現象を伴う、比較的長波長の電磁モードによって媒介される。