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Examination of stiff ion temperature gradient mode physics in simulations of DIII-D H-mode transport

C. Holland, T.C. Luce, B.A. Grierson, S.P. Smith, A. Marinoni, K.H. Burrell, C.C. Petty, E.M. Bass2021年被引用 13Nuclear FusionIF 3出版社

A systematic evaluation of gyrokinetic and gyrofluid model predictions of ion temperature gradient (ITG) stability and transport using parameters from DIII-D high confinement mode (H-mode) plasmas has been performed. The nonlinear CGYRO code is used to make the gyrokinetic predictions, and the quasilinear TGLF model for the corresponding gyrofluid predictions. The assessments are made at three radii (normalized toroidal flux ρtor = 0.4, 0.55, and 0.7) in three different plasma scenarios with varying levels of neutral beam heating and torque. For each of the nine cases (3 radii × 3 scenarios) considered, ITG turbulence is found to be the dominant long-wavelength instability and transport mechanism. The inclusions of both transverse magnetic fluctuations and dynamic fast beam ions are stabilizing for all cases considered, with strongest effects seen at ρor = 0.4 where the fast ion population and normalized plasma pressure β = 2μ0nT/B2 are highest. The further inclusion of parallel magnetic fluctuations does not have a meaningful impact on the ITG turbulence in these scenarios, but does destabilize (in combination with fast ions) new high-frequency instabilities at ρtor = 0.4 in the high power scenarios. In each case the linear and nonlinear ITG critical gradients are predicted to be lower than the measured ITG scale lengths and their associated uncertainties. Inclusion of equilibrium flow shear in the transport predictions generally leads to an upshift in effective critical gradient rather than a qualitative change in the predicted stiffness, with stronger responses typically seen in the gyrokinetic predictions than in the gyrofluid results. However, in most cases these upshifted gradients still remain below the measured values and their uncertainties. Although the predicted critical gradients are below the measured gradients, both models predicted flux-matching gradients consistent with measured values in six of the nine cases considered, with no clear systematic over- or underprediction. Thus, while the experimental ion temperature profiles do not appear to be closely pinned to the ITG critical gradient, both gyrokinetic and gyrofluid models are able to accurately match the measured gradients reasonably well in most cases.

日本語訳

DIII-Dの高閉じ込めモード(Hモード)プラズマからのパラメータを用いて、イオン温度勾配(ITG)安定性と輸送に関するジャイロ運動論的モデルおよびジャイロ流体モデルの予測の系統的評価を実施した。非線形CGYROコードを用いてジャイロ運動論的予測を行い、対応するジャイロ流体予測には準線形TGLFモデルを用いた。評価は、中性粒子ビーム加熱とトルクのレベルが異なる3つのプラズマシナリオにおいて、3つの半径位置(規格化トロイダル磁束ρtor = 0.4、0.55、0.7)で行った。検討した9つのケース(3半径×3シナリオ)の各々において、ITG乱流が支配的な長波長不安定性および輸送機構であることが見出された。横方向磁気揺動と動的高速ビームイオンの両方の取り込みは、検討した全ケースで安定化に寄与し、その効果は高速イオン密度と規格化プラズマ圧力β = 2μ0nT/B2が最も高いρtor = 0.4で最も顕著であった。平行磁気揺動をさらに含めても、これらのシナリオにおけるITG乱流には有意な影響を及ぼさないが、高パワーシナリオのρtor = 0.4では、(高速イオンと組み合わせることで)新しい高周波不安定性を不安定化させた。各ケースにおいて、線形および非線形ITG臨界勾配は、測定されたITGスケール長およびその不確かさよりも低いと予測された。輸送予測に平衡フローシアを組み込むと、一般的に予測されるスティッフネスの質的な変化というよりも、実効臨界勾配の上方シフトをもたらし、その応答はジャイロ流体結果よりもジャイロ運動論的予測において強い傾向が見られた。しかしながら、ほとんどの場合、これらの上方シフトした勾配は依然として測定値およびその不確かさを下回った。予測された臨界勾配は測定勾配を下回るものの、両モデルとも、検討した9ケース中6ケースにおいて、測定値と一致するフラックス整合勾配を予測し、系統的な過大・過小予測は見られなかった。したがって、実験のイオン温度分布はITG臨界勾配に厳密に固定されているようには見えないが、ジャイロ運動論的モデルとジャイロ流体モデルの両方が、ほとんどの場合において測定勾配をかなり正確に再現できることが示された。

装置

diii-d高精度(タイトル一致)

wiki

DIII-DH-modeIon temperature gradientTemperature gradient mode
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