Turbulent impurity transport driven by parallel velocity shear (PVS) turbulence in hydrogen isotope plasmas is studied using the gyrokinetic theory in a slab configuration with weak magnetic shear. The quasi-linear impurity flux written in terms of diffusion and convection is analytically derived. It is found that PVS turbulence leads to an inward impurity convection. For high temperature helium ash from deuterium (D) and tritium (T) reaction, the turbulent impurity flux could be outward because the impurity diffusion dominates over the inward convection. Therefore, PVS turbulence might be beneficial for removing high temperature helium ash in future burning plasmas. Moreover, both the outward flux and diffusivity of helium ash are enhanced by increasing PVS, but reduced by decreasing the temperature of helium ash. For fully ionized light impurities with finite concentration and the trace heavy metal impurities, the stronger sheared parallel velocity as well as the steeper parallel velocity profile, the more serious accumulation of impurity. Thus, PVS turbulence might be a partial explanation for experimental observation of impurity accumulation in the neutral beam heated plasmas. While, the increase of the electron density gradient may be favorable for stabilizing the PVS mode and easing the accumulation of impurities from plasma-wall interaction or external injection. Furthermore, isotopic effects (increasing the effective hydrogen isotope mass number) are favorable for both removing helium ash and easing the accumulation of heavy metal impurities induced by PVS turbulence. More implications of these theoretical results to the future burning plasmas are discussed.
弱い磁気シアを有するスラブ配位における水素同位体プラズマ中の平行速度シア(PVS)乱流によって駆動される乱流不純物輸送を、ジャイロ運動論を用いて研究した。拡散と対流の項で記述される準線形の不純物フラックスを解析的に導出した。PVS乱流は内方向の不純物対流を引き起こすことが見出された。重水素(D)と三重水素(T)の反応による高温のヘリウム灰については、不純物フラックスは外方向となり得る。これは、不純物の拡散が内方向の対流よりも支配的になるためである。したがって、PVS乱流は将来の燃焼プラズマにおける高温ヘリウム灰の除去に有効である可能性がある。さらに、ヘリウム灰の外方向フラックスと拡散係数の両方は、PVSの増加によって強化されるが、ヘリウム灰の温度の低下によっては低減される。有限の濃度を持つ完全電離した軽不純物とトレース重金属不純物については、せん断された平行速度が強いほど、また平行速度分布が急峻であるほど、不純物の蓄積がより深刻になる。したがって、PVS乱流は、中性粒子加熱プラズマにおける不純物蓄積の実験的観測を部分的に説明する可能性がある。一方、電子密度勾配の増加は、PVSモードを安定化させ、プラズマ対向壁や外部入射に起因する不純物の蓄積を緩和するのに有効である可能性がある。さらに、同位体効果(実効的な水素同位体質量数の増加)は、ヘリウム灰の除去とPVS乱流によって誘起される重金属不純物の蓄積緩和の両方に有効である。これらの理論的結果の将来の燃焼プラズマへの更なる示唆について議論する。