In the present Letter, first-of-its-kind computer simulations predicting plasma profiles for modern optimized stellarators—while self-consistently retaining neoclassical transport, turbulent transport with 3D effects, and external physical sources—are presented. These simulations exploit a newly developed coupling framework involving the global gyrokinetic turbulence code GENE-3D, the neoclassical transport code KNOSOS, and the 1D transport solver TANGO. This framework is used to analyze the recently observed degradation of energy confinement in electron-heated plasmas in the Wendelstein 7-X stellarator, where the central ion temperature was 'clamped' to keV regardless of the external heating power. By performing first-principles based simulations, we provide key evidence to understand this effect, namely the inefficient thermal coupling between electrons and ions in a turbulence-dominated regime, which is exacerbated by the large ratios, and show that a more efficient ion heat source, such as direct ion heating, will increase the on-axis ion temperature. This work paves the way towards the use of high-fidelity models for the development of the next generation of stellarators, in which neoclassical and turbulent transport are optimized simultaneously.
本レターでは、最新の最適化ステラレーターについて、新古典輸送、3D効果を伴う乱流輸送、および外部物理源を自己無撞着に保持しつつ、プラズマプロファイルを予測する初のコンピュータシミュレーションを提示する。これらのシミュレーションは、グローバルジャイロ運動論的乱流コードGENE-3D、新古典輸送コードKNOSOS、および1D輸送ソルバーTANGOからなる、新たに開発された結合フレームワークを利用する。このフレームワークは、Wendelstein 7-Xステラレーターにおける電子加熱プラズマで最近観測されたエネルギー閉じ込めの劣化を解析するために用いられる。そこでは、中心イオン温度は外部加熱パワーによらず keV に「クランプ」された。第一原理に基づくシミュレーションを実行することにより、この効果を理解するための重要な証拠、すなわち、乱流支配領域における電子とイオン間の非効率な熱結合を提供する。これは大きな 比によって悪化し、直接イオン加熱のようなより効率的なイオン熱源が軸上イオン温度を上昇させることを示す。この研究は、新古典輸送と乱流輸送が同時に最適化される次世代ステラレーターの開発に向けて、高忠実度モデルの利用への道を開くものである。