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Internal transport barrier in tokamak and helical plasmas

K Ida, T Fujita2018年Plasma Physics and Controlled FusionIF 2.2出版社

The differences and similarities between the internal transport barriers (ITBs) of tokamak and helical plasmas are reviewed. By comparing the characteristics of the ITBs in tokamak and helical plasmas, the mechanisms of the physics for the formation and dynamics of the ITB are clarified. The ITB is defined as the appearance of discontinuity of temperature, flow velocity, or density gradient in the radius. From the radial profiles of temperature, flow velocity, and density the ITB is characterized by the three parameters of normalized temperature gradient, , the location, , and the width, W/a, and can be expressed by 'weak' ITB (small ) or 'strong' (large ), 'small' ITB (small ) or 'large' ITB (large ), and 'narrow' (small W/a) or 'wide' (large W/a). Three key physics elements for the ITB formation, radial electric field shear, magnetic shear, and rational surface (and/or magnetic island) are described. The characteristics of electron and ion heat transport and electron and impurity transport are reviewed. There are significant differences in ion heat transport and electron heat transport. The dynamics of ITB formation and termination is also discussed. The emergence of the location of the ITB is sometimes far inside the ITB foot in the steady-state phase and the ITB region shows radial propagation during the formation of the ITB. The non-diffusive terms in momentum transport and impurity transport become more dominant in the plasma with the ITB. The reversal of the sign of non-diffusive terms in momentum transport and impurity transport associated with the formation of the ITB reported in helical plasma is described. Non-local transport plays an important role in determining the radial profile of temperature and density. The spontaneous change in temperature curvature (second radial derivative of temperature) in the ITB region is described. In addition, the key parameters of the control of the ITB and future prospects are discussed.

日本語訳

トカマクおよびヘリカルプラズマにおける内部輸送障壁(ITB)の相違点と類似点を比較検討する。トカマクとヘリカルプラズマにおけるITBの特性を比較することにより、ITBの形成とダイナミクスの物理機構を明らかにする。ITBは、半径方向における温度、流れ速度、または密度勾配の不連続性として定義される。温度、流れ速度、および密度の半径方向プロファイルから、ITBは、規格化温度勾配、位置、および幅W/aの三つのパラメータによって特徴づけられ、「弱い」ITB(小さい)、「強い」ITB(大きい)、「小さい」ITB(小さい)、「大きい」ITB(大きい)、および「狭い」ITB(小さいW/a)または「広い」ITB(大きいW/a)として表現できる。ITB形成の三つの主要な物理要素である、径方向電場シアー、磁気シアー、および有理面(または磁気島)について説明する。電子およびイオンの熱輸送と不純物輸送の特性を概説する。イオン熱輸送と電子熱輸送の間には顕著な差異が存在する。ITBの形成と消滅のダイナミクスについても議論する。定常状態におけるITBの位置の出現は、時としてITBの足部から遠く離れた場所で生じ、ITB領域は形成中に半径方向の伝播を示す。運動量輸送および不純物輸送における非拡散項は、ITBを有するプラズマにおいてより支配的になる。ヘリカルプラズマで報告されている、ITBの形成に伴う運動量輸送および不純物輸送における非拡散項の符号の反転について述べる。非局所輸送は、温度および密度の半径方向プロファイルの決定において重要な役割を果たす。ITB領域における温度曲率(温度の二次半径微分)の自発的な変化について述べる。さらに、ITBの制御における主要パラメータと今後の展望について議論する。

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Transport barrierInternal transport barrier
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