This paper develops a self-consistent one-dimensional (1D) spatiotemporal model to investigate the interactions between full-energy helium (He) ions and drift wave–zonal flow (DW–ZF) system. The model integrates three physical components: (1) the interactions between He ions and the DW–ZF system, wherein the dilution of He ions modulates DW–ZF dynamics and in turn DW-driven transport simultaneously alters the profile of the He ion dilution factor; (2) the explicit inclusion of dilution effects on the growth rate in addition to the real frequency of DW; and (3) a turbulence spreading term added into the evolution equation of DW. Numerical results reveal that compared with the case with a fixed dilution profile and constant linear growth rate of DW, evolving He ion dilution factor and considering the corresponding dilution-modified linear growth rate in the self-consistent 1D model decreases the saturated value of He ion dilution factor—especially the contribution from lower energy He ash, increases the DW energy, decreases and even causing a reversal radial profile of ZF energy. These findings show that He ash removal may be more achievable even though the increase in the DW energy indicates that the improvement of plasma confinement might not be as substantial as the prediction with fixed dilution factor. Moreover, analytical expressions for the saturated He ion dilution factor, DW energy and ZF energy under a zero-dimensional local approximation are derived, which can qualitatively explain the corresponding 1D results. Overall, these findings highlight the importance of self-consistent modeling for reliably assessing He ash accumulation and confinement performance in future burning plasmas.
本論文は、全エネルギー・ヘリウム(He)イオンとドリフト波–帯状流(DW–ZF)系との相互作用を調べるために、自己無撞着な1次元(1D)時空間モデルを構築する。このモデルは、3つの物理的構成要素を統合する：(1) HeイオンとDW–ZF系との相互作用。ここでは、Heイオンの希釈がDW–ZFダイナミクスを変調し、その結果としてDW駆動輸送が同時にHeイオン希釈因子の分布を変化させる；(2) DWの実周波数に加えて、成長率に対する希釈効果を明示的に含めること；(3) DWの時間発展方程式に付加された乱流伝播項。数値計算の結果は、固定された希釈分布と一定の線形成長率を持つ場合と比較して、自己無撞着な1DモデルにおいてHeイオン希釈因子を時間発展させ、対応する希釈修正線形成長率を考慮すると、Heイオン希釈因子の飽和値—特に低エネルギーHe灰からの寄与—が減少し、DWエネルギーが増加し、ZFエネルギーの径方向分布が減少、さらには反転することが明らかになった。これらの知見は、DWエネルギーの増加が、固定希釈因子による予測ほどプラズマ閉じ込めの改善が実質的でない可能性を示す一方で、He灰除去がより達成可能であることを示している。さらに、ゼロ次元局所近似の下での飽和Heイオン希釈因子、DWエネルギー、ZFエネルギーの解析的表現を導出し、これらは対応する1D結果を定性的に説明できる。全体として、これらの知見は、将来の燃焼プラズマにおけるHe灰蓄積と閉じ込め性能を確実に評価するための自己無撞着モデリングの重要性を強調している。