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Ion temperature anisotropy in the tokamak scrape-off layer

Menglong Zhao, Tom Rognlien, Aaro Jarvinen, Ilon Joseph2021年Plasma Physics and Controlled FusionIF 2.2出版社

Understanding tokamak exhaust-power heat loads on divertor plates depends critically on having a realistic model of the scrape-off layer (SOL) plasma. The Braginskii fluid model is often solved to understand the SOL plasma behavior. This model is based on the collisional limit for transport along the magnetic field . The ions and electron gyrofrequencies are assumed to be much larger than the Coulomb collision frequencies, which are nonetheless, sufficiently large to yield common parallel and perpendicular temperatures for each species, i.e. the temperatures are assumed to be isotropic. In certain circumstances such as encountered for the tokamak H-mode, the ion temperature can be quite anisotropic. In this work, the anisotropy effects are implemented in the two-dimensional (2D) transport code UEDGE. Various geometries (1D slab, 2D slab and a toroidal tokamak geometry) are used to study the 2D structure of ion temperature anisotropy and its effects on plasma transport in detail. Results show that the effects of ion temperature anisotropy on the plasma parallel transport are substantial near the magnetic X-point, which leads to different steady state density profiles in the divertor regions. The extra mirror force introduced by ion temperature anisotropy can be one of the main forces contributing to the plasma flow in the SOL.

日本語訳

トカマク排気出力のダイバータ熱負荷に対する理解は、スクレイプオフ層(SOL)プラズマの現実的なモデルに決定的に依存している。バランジスキー流体モデルは、SOLプラズマの挙動を理解するためにしばしば解かれる。このモデルは、磁場に沿った輸送に対する衝突極限に基づいている。イオンと電子のジャイロ周波数は、クーロン衝突周波数よりもはるかに大きいと仮定されるが、それにもかかわらず、クーロン衝突周波数は、各粒子種について共通の平行および垂直温度をもたらすのに十分に大きいとされる。すなわち、温度は等方的であると仮定される。トカマクHモードで遭遇するような特定の状況では、イオン温度はかなり異方的になり得る。本研究では、この異方性効果を2次元(2D)輸送コードUEDGEに実装する。様々な幾何形状(1Dスラブ、2Dスラブ、およびトロイダルトカマク幾何形状)を用いて、イオン温度異方性の2D構造とその輸送への影響を詳細に研究する。結果は、イオン温度異方性がプラズマ平行輸送に及ぼす影響が、磁気X点近傍で顕著であることを示しており、これはダイバータ領域における定常状態の密度分布の違いにつながる。イオン温度異方性によって導入される追加のミラー力は、SOLにおけるプラズマ流に寄与する主な力の一つとなり得る。

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Scrape-off layer
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