Full orbit-following simulations of thermal ions show that finite ion-orbit width effects create charge separation near the last closed flux surface (LCFS) which generates a localized radial electric field. Experimentally, edge electric fields are observed in H-mode plasmas and they are necessary for the edge turbulence suppression via the flow shear mechanism. Confined trapped (and to a lesser extent co-passing) ions near the plasma edge form a positive charge distribution outside the LCFS, while thermal electrons are tied more tightly to field lines owing to their small mass and are poorly confined outside the LCFS, hence charge neutrality is violated outside the LCFS. A large number of reported observations from spherical and conventional tokamaks support the results from the simulations although the simulations were not performed fully self consistently. The results suggest ways to lower the H-mode power threshold and optimize the H-mode plasma edge.
熱イオンの完全軌道追跡シミュレーションは、有限イオン軌道幅効果が最終閉鎖磁気面(LCFS)近傍で電荷分離を生じさせ、局所的な径方向電場を生成することを示す。実験的には、Hモードプラズマにおいて周辺電場が観測されており、それらはフローシア機構による周辺乱流抑制に必要である。閉じ込められた捕捉イオン(および程度は低いが共通過イオン)は、プラズマ周辺部でLCFS外側に正電荷分布を形成する。一方、熱電子は質量が小さいため磁力線により強く結びつき、LCFS外側では閉じ込めが弱く、したがってLCFS外側では電荷中性が破られる。球形および従来型トカマクからの多数の報告された観測結果は、シミュレーションが完全には自己無撞着に実行されていないにもかかわらず、シミュレーションの結果を支持する。この結果は、Hモード電力閾値を低下させ、Hモードプラズマ周辺部を最適化する方法を示唆する。