Particle transport in tokamak plasmas has been intensively studied in the past, particularly in relation to density peaking and the presence of anomalous inward particle convection in L- and H-modes. While in the L-mode case the presence of the anomalous inward pinch has previously been unambiguously demonstrated, particle transport in the H-mode was unclear. The main difficulty of such studies is that particle diffusion and convection could not be measured independently in steady-state conditions in the presence of a core particle flux. Therefore, it is usually not possible to separate the transport effect(inward convection), from the source effect (slow diffusion of particles introduced to the plasma core by neutral beam injection heating).In this work we describe experiments done on JET with mixtures of two hydrogenic isotopes: H and D. It is demonstrated that in the case of several ion species, convection and diffusion can be separated in a steady plasma without implementation of perturbative techniques such as gas puff modulation. Previous H-mode density peaking studies suggested that for this relatively high electron collisionality plasma scenario, the observed density gradient is mostly driven by particle source and low particle diffusivity D < 0.5 * χeff. Transport coefficients derived from observation of the isotope profiles in the new experiments far exceed that value—ion particle diffusion is found to be as high as D ⩾ 2 * χeff, combined with a strong inward convection. Apparent disagreement with previous findings was explained by significantly faster transport of ion components with respect to the electrons, which could not be observed in a single main ion species plasma. This conclusion is confirmed by quasilinear gyrokinetic simulations.
トカマクプラズマにおける粒子輸送は、過去に精力的に研究されてきた。特に、密度ピーキングと、LモードおよびHモードにおける異常な内向き粒子対流の存在に関連してである。Lモードの場合には異常な内向きピンチの存在が以前に明確に実証されている一方で、Hモードにおける粒子輸送は不明確であった。そのような研究の主な困難は、定常状態においてコア粒子束が存在する場合、粒子拡散と対流を独立に測定できないことである。したがって、通常は輸送効果（内向き対流）とソース効果（中性粒子ビーム入射加熱によってプラズマコアに導入された粒子の遅い拡散）を分離することは不可能である。本論文では、JETで行われた、水素同位体であるHとDの混合を用いた実験について述べる。複数のイオン種の場合には、ガスパフ変調のような摂動的手法を用いることなく、定常プラズマにおいて対流と拡散を分離できることが実証された。以前のHモード密度ピーキング研究は、この比較的高い電子衝突周波数のプラズマシナリオでは、観測される密度勾配は主に粒子源と低い粒子拡散係数D < 0.5 * χeffによって駆動されることを示唆していた。新しい実験における同位体プロファイルの観測から導出された輸送係数はその値をはるかに上回る。すなわち、イオン粒子拡散は強い内向き対流と組み合わさって、D ⩾ 2 * χeffという高い値に達することが見出された。以前の結果との見かけ上の不一致は、単一の主イオン種プラズマでは観測できなかった、電子に対するイオン成分の著しく速い輸送によって説明された。この結論は、準線形ジャイロ運動論シミュレーションによって確認された。