In this work, we modify the standard flux tube simulation domain to include arbitrary ion gyroradius-scale variation in the radial profile of the safety factor. To determine how to appropriately include such a modification, we add a strong ion gyroradius-scale source (inspired by electron cyclotron current drive) to the Fokker–Planck equation, then perform a multi-scale analysis that distinguishes the fast electrons driven by the source from the slow bulk thermal electrons. This allows us to systematically derive the needed changes to the gyrokinetic model. We find new terms that adjust the ion and electron parallel streaming to be along the modified field lines. These terms have been successfully implemented in a gyrokinetic code (while retaining the typical Fourier representation), which enables flux tube studies of non-monotonic safety factor profiles and the associated profile shearing. As an illustrative example, we investigate tokamaks with positive versus negative triangularity plasma shaping and find that the importance of profile shearing is not significantly affected by the change in shape.
本稿では、標準的なフラックスチューブシミュレーション領域を修正し、安全係数の動径プロファイルにおける任意のジャイロ半径スケールの変動を含める。このような修正を適切に組み込む方法を決定するため、電子サイクロトロン電流駆動に着想を得た強いジャイロ半径スケールの源項をフォッカー・プランク方程式に追加し、その後、源によって駆動される高速電子とバルクの熱電子を区別する多重スケール解析を実行する。これにより、ジャイロ運動論モデルに必要な変更を系統的に導出することが可能となる。我々は、修正された磁力線に沿ったイオンおよび電子の平行方向ストリーミングを調整する新しい項を見出す。これらの項は、典型的なフーリエ表現を維持しながらジャイロ運動論コードに首尾よく実装され、非単調な安全係数プロファイルおよび関連するプロファイルシアを有するフラックスチューブ研究を可能にする。実例として、正および負の三角形変形を有するトカマクを調査し、プロファイルシアの重要性が形状の変化によって有意に影響を受けないことを見出す。