The paper investigates the momentum balance of a multi-species plasma in a cylinder with helical magnetic field. The main magnetic field is oriented in the z-direction. Starting from the macroscopic equations, a steady-state solution is obtained which includes the effect of centrifugal forces and Coriolis forces. The poloidal rotation and axial flow of each particle species is governed by the balance between spin-up, viscous damping, turbulent forces and the v × B driving term. In cylindrical geometry, classical viscous effects are very small and can be easily dominated by the turbulent viscosity. The effect of turbulent Reynolds stresses and the turbulent viscosity is investigated. Under quite general assumptions about the dependence of the anomalous transport coefficients on the velocity shear, criteria on the existence of the bifurcation points and multiple solution can be formulated. The shaping of the velocity shear and the transport barrier depend strongly on the eddy viscosity. Numerical solutions of the differential equations for a two-component plasma support the analytical results. The viscosity is considered as a variable parameter simulating the effect of turbulent eddy viscosity. These computations will be compared with the experimental results found in the HDH-mode experiments in Wendelstein 7-AS.
本論文は、螺旋状磁場を有する円筒内における多種プラズマの運動量バランスを調査するものである。主磁場はz方向に配向している。巨視的方程式から出発して、遠心力およびコリオリ力の効果を含む定常解が得られる。各粒子種のポロイダル回転および軸方向流は、スピンアップ、粘性減衰、乱流力、およびv × B駆動項の間のバランスによって支配される。円筒幾何学においては、古典的粘性効果は非常に小さく、乱流粘性によって容易に支配され得る。乱流レイノルズ応力および乱流粘性の効果が調査される。異常輸送係数の速度シアーへの依存性に関する極めて一般的な仮定の下で、分岐点および多重解の存在に関する基準が定式化され得る。速度シアーの形成および輸送障壁は、渦粘性に強く依存する。二種プラズマに対する微分方程式の数値解は、解析的結果を裏付けるものである。粘性は、乱流渦粘性の効果を模擬する可変パラメータとして考慮される。これらの計算結果は、Wendelstein 7-ASにおけるHDHモード実験で見出された実験結果と比較される。