In this paper, the turbulent transport properties of ST40 hot ion plasmas are examined and fully predictive time evolving modeling of a hot ion plasma pulse was performed. Understanding turbulent transport on spherical tokamaks (STs) is challenging due to their unique geometry characteristics. ST40 hot ion plasmas are typically unstable to ion scale Trapped Electron Modes and Ubiquitous Modes, driven from the kinetic response of trapped particles and passing ions, and electron scale Electron Temperature Gradient Modes at the edge of the plasma. A comparison between the linear unstable modes of the gyro-kinetic code GS2 and the gyro-fluid code TGLF showed that both models agree to a satisfactory level. However, some discrepancy was observed at the core of the plasma where a large fraction of beams ions exists, and electromagnetic effects are potentially important. Turbulent fluxes were also observed to be somewhat over-predicted with TGLF. The core heat ion transport is observed to be close to neoclassical levels due to turbulence suppression from high rotation and fast ion stabilization, while the edge region is dominated by anomalous transport in both ions and electrons. As a result, enhanced energy confinement is observed in those plasmas driven by the reduced turbulent core region and the confined beam ions. Fully predictive simulations using the ASTRA transport solver coupled with SPIDER, NUBEAM, NCLASS and TGLF together with a novel reduced scrape of layer model for the simulation of the last closed flux surface boundary conditions was attempted. Agreement in global quantities but also kinetic profiles between the predictive and interpretative modeling as well as experimental measurements was observed.
本論文では、ST40高温イオンプラズマの乱流輸送特性を調べ、高温イオンプラズマパルスの完全予測型時間発展モデリングを実施した。球状トカマク(ST)における乱流輸送の理解は、その特異な幾何学的特性のために困難である。ST40高温イオンプラズマは、捕捉粒子と通過イオンの運動論的応答に駆動されるイオンスケールの捕捉電子モードおよびユビキタスモードと、プラズマ周辺部における電子スケールの電子温度勾配モードに対して典型的に不安定である。ジャイロ運動論的コードGS2とジャイロ流体コードTGLFの線形不安定モードの比較は、両モデルが満足できるレベルで一致することを示した。しかしながら、ビームイオンが大きな割合を占めるプラズマ中心部ではいくらかの不一致が観測され、電磁効果が潜在的に重要である。また、TGLFでは乱流フラックスがやや過大評価されることが観測された。中心部のイオン熱輸送は、高速回転と高速イオン安定化による乱流抑制のために、ネオクラシカルレベルに近いことが観測される一方、周辺領域はイオンと電子の両方において異常輸送が支配的である。その結果、これらのプラズマでは、乱流の低減された中心領域と閉じ込められたビームイオンによって駆動されるエネルギー閉じ込めの向上が観測される。ASTRA輸送ソルバーをSPIDER、NUBEAM、NCLASS、TGLFと組み合わせ、さらに最終閉磁気面境界条件のシミュレーションのための新しい簡約化されたスクレイプオフ層モデルを用いた完全予測型シミミュレーションが試みられた。予測型モデリングと解釈的モデリングの間、および実験計測との間で、大局的量だけでなく運動論的プロファイルにおいても一致が観測された。