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Investigating profile stiffness and critical gradients in shaped TCV discharges using local gyrokinetic simulations of turbulent transport

G Merlo, S Brunner, O Sauter, Y Camenen, T Görler, F Jenko, A Marinoni, D Told, L Villard2015年Plasma Physics and Controlled FusionIF 2.2出版社

The experimental observation made on the TCV tokamak of a significant confinement improvement in plasmas with negative triangularity (δ < 0) compared to those with standard positive triangularity has been interpreted in terms of different degrees of profile stiffness (Sauter et al 2014 Phys. Plasmas21 055906) and/or different critical gradients. Employing the Eulerian gyrokinetic code GENE (Jenko et al 2000 Phys. Plasmas7 1904), profile stiffness and critical gradients are studied under TCV relevant conditions. For the considered experimental discharges, trapped electron modes (TEMs) and electron temperature gradient (ETG) modes are the dominant microinstabilities, with the latter providing a significant contribution to the non-linear electron heat fluxes near the plasma edge. Two series of simulations with different levels of realism are performed, addressing the question of profile stiffness at various radial locations. Retaining finite collisionality, impurities and electromagnetic effects, as well as the physical electron-to-ion mass ratio are all necessary in order to approach the experimental flux measurements. However, flux-tube simulations are unable to fully reproduce the TCV results, pointing towards the need to carry out radially nonlocal (global) simulations, i.e. retaining finite machine size effects, in a future study. Some conclusions about the effect of triangularity can nevertheless be drawn based on the flux-tube results. In particular, the importance of considering the sensitivity to both temperature and density gradient is shown. The flux tube results show an increase of the critical gradients towards the edge, further enhanced when δ < 0, and they also appear to indicate a reduction of profile stiffness towards plasma edge.

日本語訳

TCVトカマクにおいて、負の三角形度(δ < 0)を持つプラズマが、標準的な正の三角形度を持つプラズマと比較して有意な閉じ込め改善を示すという実験的観測は、分布の剛性の程度の違い(Sauter et al 2014 Phys. Plasmas 21 055906)および/または臨界勾配の違いとして解釈されてきた。オイラー型ジャイロ運動論コードGENE(Jenko et al 2000 Phys. Plasmas 7 1904)を用いて、TCV関連条件下での分布の剛性と臨界勾配を研究した。検討した実験放電において、捕捉電子モード(TEM)と電子温度勾配(ETG)モードが支配的な微視的不安定性であり、後者はプラズマ端部近傍の非線形電子熱流束に有意な寄与を与える。異なる現実性レベルを持つ2系列のシミュレーションを実施し、様々な径方向位置における分布の剛性の問題に取り組んだ。実験的な熱流束測定値に近づくためには、有限衝突性、不純物、電磁効果、および物理的な電子-イオン質量比をすべて保持することが必要である。しかしながら、フラックスチューブシミュレーションはTCVの結果を完全には再現できず、将来の研究において径方向非局所(大域的)シミュレーション、すなわち有限装置サイズ効果を保持するシミュレーションを実施する必要性を示唆している。それにもかかわらず、フラックスチューブの結果に基づいて三角形度の影響についていくつかの結論を導き出すことができる。特に、温度勾配と密度勾配の両方に対する感度を考慮することの重要性が示される。フラックスチューブの結果は、δ < 0の場合にさらに強化される、プラズマ端部に向かっての臨界勾配の増加を示し、またプラズマ端部に向かっての分布の剛性の低下を示しているように思われる。

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GyrokineticTCVTurbulent transport
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