Strong E × B plasma flow shear is beneficial for reducing turbulent transport. However, traditional methods of driving flow shear do not scale well to large devices such as future fusion power plants. In this paper, we use a large number of nonlinear gyrokinetic simulations to study a novel approach to increase flow shear: decreasing the momentum diffusivity to make the plasma ‘easier to push’. We first use an idealized circular geometry and find that one can obtain low momentum diffusivity (LMD) at tight aspect ratio, low safety factor, high magnetic shear and low temperature gradient. This is the so-called LMD regime. To drive intrinsic momentum flux, we then tilt the flux surface, making it up–down asymmetric. In the LMD regime, this intrinsic momentum flux drives strong flow shear that can significantly reduce the heat flux and increase the critical temperature gradient. We also consider the actual experimental geometry of the Mega Ampere Spherical Tokamak (MAST) to illustrate that this strategy can be practical and create experimentally significant flow shear. Lastly, a preliminary prediction for the SMall Aspect Ratio Tokamak (SMART) is made.
強いE×Bプラズマ流シアは乱流輸送を低減するのに有益である。しかしながら、流シアを駆動する従来の方法は、将来の核融合発電所のような大型装置にはうまくスケールしない。本論文では、多数の非線形ジャイロ運動論シミュレーションを用いて、流シアを増大させる新規なアプローチ、すなわち運動量拡散係数を低下させてプラズマを『押しやすく』することを研究する。まず理想化された円形幾何学形状を用いて、アスペクト比が小さく、安全係数が低く、磁気シアが高く、温度勾配が低い場合に低運動量拡散係数(LMD)が得られることを見出す。これがいわゆるLMDレジームである。次に、固有運動量フラックスを駆動するために、フラックス面を傾けて上下非対称にする。LMDレジームでは、この固有運動量フラックスが強い流シアを駆動し、熱流束を大幅に低減し、臨界温度勾配を増大させることができる。また、Mega Ampere Spherical Tokamak (MAST) の実際の実験幾何学形状を検討し、この戦略が実用的であり、実験的に有意な流シアを生成できることを示す。最後に、SMall Aspect Ratio Tokamak (SMART) に対する予備的な予測を行う。