Recent work has demonstrated that breaking the up–down symmetry of tokamak flux surfaces removes a constraint that limits intrinsic momentum transport, and hence toroidal rotation, to be small. We show, through MHD analysis, that ellipticity is most effective at introducing up–down asymmetry throughout the plasma. We detail an extension to GS2, a local δf gyrokinetic code that self-consistently calculates momentum transport, to permit up–down asymmetric configurations. Tokamaks with tilted elliptical poloidal cross-sections were simulated to determine nonlinear momentum transport. The results, which are consistent with the experiment in magnitude, suggest that a toroidal velocity gradient, (∂uζi/∂ρ)/vthi, of 5% of the temperature gradient, (∂Ti/∂ρ)/Ti, is sustainable. Here vthi is the ion thermal speed, uζi is the ion toroidal mean flow, ρ is the minor radial coordinate normalized to the tokamak minor radius, and Ti is the ion temperature. Though other known core intrinsic momentum transport mechanisms scale poorly to larger machines, these results indicate that up–down asymmetry may be a feasible method to generate the current experimentally measured rotation levels in reactor-sized devices.
最近の研究により、トカマクの磁気面の上下非対称性を破ることで、固有運動量輸送、ひいてはトロイダル回転を制限する要因が除去されることが実証された。我々はMHD解析を通じて、楕円変形が磁気面全体に上下非対称性を導入する上で最も効果的であることを示す。また、局所的δfジャイロ運動論コードであるGS2を拡張し、上下非対称配位における運動量輸送を自己無撞着に計算する手法を詳述する。傾斜した楕円断面を持つトカマクのシミュレーションを実施し、非線形運動量輸送を評価した。その結果は実験と同程度の大きさで一致し、トロイダル速度勾配 (∂uζi/∂ρ)/vthi が温度勾配 (∂Ti/∂ρ)/Ti の5%に相当する持続可能な値を示唆している。ここで、vthi はイオン熱速度、uζi はイオンのトロイダル平均流、ρ はトカマクの小半径で規格化された動径座標、Ti はイオン温度である。他の既知のコア固有運動量輸送機構は大型装置ではスケールが不十分であるが、これらの結果は、上下非対称性が炉規模の装置において現在実験的に測定されている回転レベルを生成する実現可能な方法であることを示している。