Most realistic kinetic calculations for tokamak plasmas are now required to incorporate the effect of partially ionized high-Z elements arising either from uncontrolled influxes of metallic impurities, such as tungsten in high input power regimes or from mitigation of runaway electrons generated after possible major disruptions by massive gas injection. The usual electron–ion Fokker–Planck collision operator must therefore be modified, because all plasma atoms are not entirely ionized, as is the case for light elements. This represents a challenge, in order to perform fast but also accurate calculations, regardless of the type of element present in the plasma, but also their local levels of ionization while covering a wide range of electron energies in a consistent way, from a few keV to tens of MeV in plasmas whose electron temperature may itself vary from 10 eV to several keV. In this context, a unified description of the atomic models is proposed, based on a multi-Yukawa representation of the electrostatic potential calibrated against results obtained by advanced quantum calculations. Besides the possibility to improve the description of inner and outer atomic shells in the determination of the atomic form factor, this model allows one to derive analytical formulations for both elastic and inelastic scattering, which can then be easily incorporated in kinetic calculations. The impact of the number of exponentials in the description of the atomic potential is discussed, and a comparison with simple and advanced atomic models is also performed.
トカマクプラズマの最も現実的な運動論的計算の多くは、現在では、高入力パワー領域におけるタングステンなどの金属不純物の非制御流入、または大規模ガス入射によって可能性のある大規模ディスラプション後に生成される逃走電子の緩和のいずれかに起因する、部分的に電離した高Z元素の効果を組み込むことが要求されている。したがって、通常の電子–イオンFokker–Planck衝突演算子は修正されなければならない。なぜなら、軽元素の場合に当てはまるように、すべてのプラズマ原子が完全に電離しているわけではないからである。これは、プラズマ中に存在する元素の種類やそれらの局所的な電離度に関係なく、また、電子温度が10 eVから数keVまで変化し得るプラズマ中で、数keVから数十MeVに及ぶ広範囲の電子エネルギーを一貫した方法でカバーしつつ、高速かつ正確な計算を行うための課題を意味する。この文脈において、高度な量子計算によって得られた結果に対して較正された静電ポテンシャルのmulti-Yukawa表現に基づく、原子モデルの統一的な記述が提案される。このモデルは、原子形状因子の決定における内殻および外殻の記述を改善する可能性に加えて、弾性散乱と非弾性散乱の両方について解析的定式化を導出することを可能にし、それらは運動論的計算に容易に組み込むことができる。原子ポテンシャルの記述における指数関数の数の影響が議論され、単純な原子モデルおよび高度な原子モデルとの比較も行われる。