In plasmas of lower collisionality, such as the scrape-off layer (SOL) of a fusion tokamak device, the parallel heat conductivity of ions becomes smaller than the classical Spitzer–Harm model due to a nonlocal kinetic effect. We have assessed, by simulation, the impact and role of the kinetic effect of ion heat conductivity (abbreviated as ion KE in this paper) on DEMO-relevant tokamak SOL plasma, using the Japanese demonstration tokamak reactor concept JA DEMO. A series of test simulations, where the ion KE is modeled by a widely used free-streaming energy (FSE)-limited model, has demonstrated: (a) the ion KE decreases the ion parallel heat flux density in JA DEMO SOL (at the baseline operation scenario) around the X-point and further upstream of the low-field side (LFS) area along the separatrix, where the parallel collisionality is smaller. Up to 40%–60% decrease is observed, compared to the case without (w/o) ion KE, among the test cases where the ion KE level is scanned over the possible range (i.e. parameter αi of the FSE-limited model is varied over ); (b) the ion KE leads to significant increase in the ion temperature Ti (up to 600% increase) and significant decrease in the ion density ni (up to −80%) over wide area of the SOL upstream. Energy balance analysis has suggested that the ion KE affects the upstream ni and Ti by the power of 0.4 and −0.4, respectively, of the flux limiting factor, as long as spatial changes in plasma parameters are moderate. The results of this study serve as a fundamental assessment of the ion KE for DEMO- relevant SOL plasma, clarifying the need for further sophistication of the model toward more quantitative prediction.
衝突頻度が低いプラズマ、例えば核融合トカマク装置のスクレイプオフ層（SOL）では、イオンの平行熱伝導率が、非局所的な運動論効果により古典的なSpitzer–Härmモデルよりも小さくなる。我々は、日本の核融合トカマク装置概念であるJA DEMOを用いて、DEMO関連のトカマクSOLプラズマにおけるイオン熱伝導率の運動論効果（本論文ではイオンKEと略記）の影響と役割をシミュレーションにより評価した。広く用いられている自由流束エネルギー（FSE）制限モデルによってイオンKEをモデル化した一連の試験シミュレーションにより、以下のことが実証された：（a）イオンKEは、JA DEMOのSOL（ベースライン運転シナリオ）において、セパラトリックスに沿ったX点付近およびさらに上流の低磁場側（LFS）領域で、イオン平行熱流束密度を減少させる。イオンKEのレベルを可能な範囲で走査した試験ケース群（すなわち、FSE制限モデルのパラメータαiを の範囲で変化させた場合）では、イオンKEなしの場合と比較して最大40%～60%の減少が観測された。（b）イオンKEは、SOL上流の広い領域において、イオン温度Tiの大幅な上昇（最大600%の増加）とイオン密度niの大幅な減少（最大−80%）をもたらす。エネルギー収支解析により、プラズマパラメータの空間変化が緩やかな限り、イオンKEはフラックス制限因子の0.4乗および−0.4乗にそれぞれ比例して、上流のniおよびTiに影響を与えることが示唆された。本研究の結果は、DEMO関連SOLプラズマにおけるイオンKEの基本的な評価を提供し、より定量的な予測に向けたモデルのさらなる高度化の必要性を明らかにするものである。