In this paper, we report a detailed experimental study of the role of ion-temperature-gradient driven turbulence in driving ion thermal transport in neutral beam injection (NBI)-heated L-mode plasmas in Experimental Advanced Superconducting Tokamak (EAST) (Wan et al 2000 Nucl. Fusion40 1057) coupled with linear and nonlinear gyrokinetic simulations. Significant ion-scale turbulence cm−1 (, where is the perpendicular wavenumber and ρs is the ion gyroradius calculated using local electron temperature Te), measured with a microwave reflectometer, is observed in the plasma core at for and 0.5 (where r is half the diameter of the closed flux surface at a given radial position, and a is half the diameter of the last closed flux surface). Local linear stability analysis with experimental equilibrium quantities at these two radial locations using the GS2 gyrokinetic code shows that the most unstable ion-scale micro-instability is the ion temperature gradient (ITG) mode. Since the computed maximum ion-scale linear growth rates are larger than the local Waltz-Miller E × B shearing rate (Waltz and Miller 1999 Phys. Plasmas6 4265), the E × B shear is unable to suppress ion-scale turbulence, consistent with the experimental observation of ion-scale turbulence. Experimental ion and electron thermal transports, calculated with power balance analysis, are both anomalous with ion thermal transport being the dominant channel. Nonlinear gyrokinetic simulations using the electrostatic global particle-in-cell gyrokinetic tokamak simulation (GTS) code (Weixing Wang et al 2010 Phys. Plasmas17 072511) show good quantitative agreement between predicted ion thermal transport and that from the power balance analysis. These results demonstrate for the first time the important role of ITG turbulence in driving thermal transport in NBI-heated L-mode plasmas in EAST, showing the effectiveness of GTS code in simulating electrostatic turbulence in EAST and the need of suppressing ITG turbulence to improve energy confinement in EAST.
本論文では、Experimental Advanced Superconducting Tokamak (EAST) (Wan et al 2000 Nucl. Fusion40 1057) における中性粒子ビーム入射 (NBI) 加熱Lモードプラズマのイオン熱輸送を駆動するイオン温度勾配駆動乱流の役割について、線形および非線形ジャイロ運動論的シミュレーションと組み合わせた詳細な実験研究を報告する。マイクロ波反射計で測定された有意なイオンスケール乱流 cm−1（ここで、 は垂直波数、ρsは局所電子温度Teを用いて計算されたイオンジャイロ半径である）が、 および 0.5（ここで、rは与えられた動径位置における閉じた磁気面の直径の半分、aは最終閉じた磁気面の直径の半分である）においてプラズマコアで観測された。実験的平衡量を用いたこれら2つの動径位置での局所線形安定性解析をGS2ジャイロ運動論的コードを用いて行ったところ、最も不安定なイオンスケール微視的不安定性はイオン温度勾配 (ITG) モードであることが示された。計算された最大イオンスケール線形成長率は局所Waltz-Miller E×Bせん断速度 (Waltz and Miller 1999 Phys. Plasmas6 4265) よりも大きいため、E×Bせん断はイオンスケール乱流を抑制できず、これはイオンスケール乱流の実験的観測と一致する。パワーバランス解析で計算された実験的イオンおよび電子熱輸送は、ともに異常輸送であり、イオン熱輸送が支配的なチャネルである。静電的グローバル粒子インハイセル・ジャイロ運動論的トカマクシミュレーション (GTS) コード (Weixing Wang et al 2010 Phys. Plasmas17 072511) を用いた非線形ジャイロ運動論的シミュレーションは、予測されたイオン熱輸送とパワーバランス解析による結果との間に良好な定量的一致を示した。これらの結果は、EASTにおけるNBI加熱Lモードプラズマの熱輸送を駆動するITG乱流の重要な役割を初めて実証し、EASTにおける静電的乱流のシミュレーションにおけるGTSコードの有効性と、EASTにおけるエネルギー閉じ込めを改善するためのITG乱流抑制の必要性を示すものである。