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Effects of zonal flows on transport crossphase in dissipative trapped-electron mode turbulence in edge plasmas

M Leconte, R Singh2019年Plasma Physics and Controlled FusionIF 2.2出版社

Confinement regimes with edge transport barriers occur through the suppression of turbulent (convective) fluxes in the particle and/or thermal channels, i.e. , and , respectively, for drift-wave turbulence. The quantity is the turbulence intensity, while and are the crossphases. For H-mode, standard decorrelation theory predicts that it is the turbulence intensity that is mainly affected via flow-induced shearing of turbulent eddies. However, for other regimes (e.g. I-mode, characterized by high energy confinement but low particle confinement), this decrease of turbulence amplitude cannot explain the decoupling of particle versus thermal flux, since a suppression of turbulence intensity would necessarily affect both fluxes the same way. Here, we explore a possible new stabilizing mechanism: zonal flows may directly affect the transport crossphase. We show the effect of this novel mechanism on the turbulent particle flux, by using a simple fluid model (Baver et al 2002 Phys. Plasmas9 3318) for dissipative trapped-electron mode (DTEM), including zonal flows. We first derive the evolution equation for the transport crossphase δk between density and potential fluctuations, including contributions from the E × B nonlinearity. By using a parametric interaction analysis including the back-reaction on the pump, we obtain a predator–prey like system of equations for the pump amplitude ϕp, the pump crossphase δp, the zonal amplitude ϕz and the triad phase-mismatch Δδ. The system displays limit-cycle oscillations where the instantaneous DTEM growth rate—proportional to the crossphase—shows quasi-periodic relaxations where it departs from that predicted by linear theory.

日本語訳

閉じ込め領域におけるエッジ輸送障壁は、乱流の抑制(対流)フラックスが粒子および/または熱チャネルにおいて抑制されることによって生じる。すなわち、それぞれドリフト波乱流に対して、 および である。量 は乱流強度であり、 と はクロスフェーズである。Hモードでは、標準的なデコヒーレンス理論は、流れによるシアが乱流渦を引き裂くことによって、主に乱流強度 が影響を受けると予測する。しかしながら、他の領域(例えば、高エネルギー閉じ込めであるが低粒子閉じ込めを特徴とするIモード)では、この乱流振幅の減少は、粒子フラックスと熱フラックスの非結合を説明できない。なぜなら、乱流強度 の抑制は、両方のフラックスに同様に影響を与えるからである。ここでは、新しい可能なメカニズムを探る:帯状流が輸送クロスフェーズに直接影響を与える可能性がある。我々は、帯状流を含む散逸捕捉電子モード(DTEM)のための単純な流体モデル(Baver et al 2002 Phys. Plasmas9 3318)を用いて、この新しいメカニズムが乱流粒子フラックスに及ぼす効果を示す。まず、密度とポテンシャル変動の間の輸送クロスフェーズ δk の時間発展方程式を導出し、E × B 非線形性からの寄与を含める。パラメトリック相互作用解析を用いて、ポンプへの反作用を含めると、ポンプ振幅 ϕp、ポンプクロスフェーズ δp、帯状振幅 ϕz、および三波位相不整合 Δδ に対する捕食者–被食者型の方程式系が得られる。この系はリミットサイクル振動を示し、瞬間的なDTEM成長率(クロスフェーズに比例)は、線形理論が予測する値から準周期的に緩和する。

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Edge plasmaZonal flow
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