Convective transport of fast ions in the toroidal field ripples of a tokamak was investigated experimentally and theoretically. Comprehensive numerical computations of this effect were performed on the basis of the previously developed theory. Simultaneously, detailed experimental studies were made of the energetic ions in the T-4 and T-10 tokamaks. The experiments demonstrate that the ion distribution function is substantially different from the Maxwellian one, being strongly enriched with fast particles at the plasma column periphery. The local trapped-ion distribution is, in addition, asymmetric throughout the plasma cross-section. A detailed comparison with the numerical results shows that the observed effects can be explained in terms of the kinetic convective transport theory. Kinetic convection is shown to contribute significantly to energy transport. With increasing ion temperature, convective ripple transport may become dominant. Therefore, the variation of rippling may become an effective means of controlling the temperature and ignition regimes of a thermonuclear reactor. The results obtained demonstrate that transport processes in modern tokamaks have to be described in terms of kinetic theory.
トカマクのトロイダル磁場リップルにおける高速イオンの対流輸送を、実験的および理論的に研究した。この効果の包括的な数値計算は、以前に開発された理論に基づいて実施された。同時に、T-4およびT-10トカマクにおける高エネルギーイオンの詳細な実験研究が行われた。実験により、イオン分布関数はマクスウェル分布とは実質的に異なり、プラズマ柱周辺部で高速粒子が強く濃縮されることが実証された。さらに、局所的な捕捉イオン分布は、プラズマ断面全体にわたって非対称であることが示された。数値結果との詳細な比較により、観測された効果は運動論的対流輸送理論によって説明できることが示された。運動論的対流はエネルギー輸送に有意に寄与することが示されている。イオン温度の上昇に伴い、対流リップル輸送が支配的になる可能性がある。したがって、リップルの変化は、熱核融合炉の温度および点火条件を制御する効果的な手段となり得る。得られた結果は、現代のトカマクにおける輸送過程は運動論的理論に基づいて記述される必要があることを実証している。