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Scaling laws for electron kinetic effects in tokamak scrape-off layer plasmas

D. Power, S. Mijin, M. Wigram, F. Militello, R.J. Kingham2023年被引用 1Nuclear FusionIF 3出版社

Tokamak edge (scrape-off layer (SOL)) plasmas can exhibit non-local transport in the direction parallel to the magnetic field due to steep temperature gradients. This effect along with its consequences has been explored at equilibrium for a range of conditions, from sheath-limited to detached, using the 1D kinetic electron code SOL-KiT, where the electrons are treated kinetically and compared to a self-consistent fluid model. Line-averaged suppression of the kinetic heat flux (compared to Spitzer-Härm) of up to 50% is observed, contrasting with up to 98% enhancement of the sheath heat transmission coefficient, γe. Simple scaling laws in terms of basic SOL parameters for both effects are presented. By implementing these scalings as corrections to the fluid model, we find good agreement with the kinetic model for target electron temperatures. It is found that the strongest kinetic effects in γe are observed at low-intermediate collisionalities, and tend to increase (keeping upstream collisionality fixed) at increasing upstream densities and temperatures. On the other hand, the heat flux suppression is found to increase monotonically as upstream collisionality decreases. The conditions simulated encompass collisionalities relevant to current and future tokamaks.

日本語訳

トカマク周辺(スクレイプオフ層(SOL))プラズマは、急峻な温度勾配により、磁場に平行な方向に非局所的輸送を示すことがある。この効果とその結果は、電子を運動論的に扱い、自己無撞着な流体モデルと比較する1次元運動論的電子コードSOL-KiTを用いて、シース制限からデタッチまでの様々な条件について平衡状態で調査されてきた。スピッツァー・ヘルムと比較した運動論的熱流束の線平均抑制は最大50%観測され、対照的にシース熱伝達係数γeの最大98%の増大が見られる。両効果について、基本的なSOLパラメータの観点から簡潔なスケーリング則が提示される。これらのスケーリングを流体モデルへの補正として実装することにより、タアゲット電子温度について運動論モデルと良い一致を得る。γeにおける最も強い運動論的効果は、低〜中程度の衝突頻度で観測され、上流の衝突頻度を固定したまま上流の密度と温度が増加するにつれて増加する傾向があることが見出される。一方、熱流束抑制は、上流の衝突頻度が減少するにつれて単調に増加することが見出される。シミュレーションされた条件は、現在および将来のトカマクに関連する衝突頻度を包含する。

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