This work presents a nonlinear gyrokinetic analysis, which addresses one of the perennial conundrums in ohmically heated fusion plasmas. The widely observed linear ohmic confinement (LOC) to saturated ohmic confinement (SOC) transition of the energy confinement time with increasing density is successfully reproduced from nonlinear gyrokinetic simulations for the first time. Suppression of trapped electron turbulence by collisional detrapping due to increasing density is found to be responsible for the transition. The microturbulence transition from trapped electron modes to ion temperature gradient modes is found to coincide, but is not a necessary condition for the LOC–SOC transition. Damping of nonlinearly generated zonal flow by increasing collisionality with density can be responsible for the energy confinement degradation in the SOC regime.
本研究は、オーミック加熱核融合プラズマにおける永年の難問の一つに取り組む非線形ジャイロ運動論解析を提示する。密度増加に伴うエネルギー閉じ込め時間の、広く観測される線形オーミック閉じ込め（LOC）から飽和オーミック閉じ込め（SOC）への遷移が、非線形ジャイロ運動論シミュレーションによって初めて再現された。この遷移は、密度増加による衝突性の増大に伴う衝突デトラッピングが捕捉電子乱流を抑制することに起因することが明らかになった。乱流の遷移は捕捉電子モードからイオン温度勾配モードへの変化と一致するが、LOC–SOC遷移の必要条件ではないことが示された。SOC領域におけるエネルギー閉じ込めの劣化は、密度とともに増大する衝突性による、非線形生成された帯状流の減衰が原因となり得る。