Plasma rotation plays a critical role in improving plasma confinement in a magnetically confined fusion device. Spontaneous plasma rotation and its reversal of orientation without external momentum input have been observed in some tokamak fusion devices, while the underlying physics is not well understood. A new mechanism based on neoclassical toroidal plasma viscosity induced by symmetry breaking is proposed and well reproduces both spontaneous toroidal rotation and its reversals in tokamaks by considering a small non-axisymmetric displacement in the plasma center, since internal instabilities are often observed in those experiments. The nonlinear hysteresis process of plasma rotation reversals is also well reproduced in the modeling. The mechanism for driving spontaneous plasma rotation proposed in this paper may be utilized for achieving more economical operation of future tokamak fusion reactors.
プラズマ回転は、磁気閉じ込め核融合装置におけるプラズマ閉じ込めの向上に重要な役割を果たす。外部からの運動量入力を伴わない自発的プラズマ回転とその反転は、いくつかのトカマク型核融合装置で観測されているが、その背後にある物理は十分に理解されていない。新古典トロイダル粘性に基づく新しいメカニズムが提案され、プラズマ中心部における小さな非軸対称変位を考慮することで、トカマクにおける自発的回転とその反転の両方を良好に再現する。これは、それらの実験において内部不安定性がしばしば観測されるためである。プラズマ回転反転の非線形ヒステリシス過程も、このモデリングにおいて良好に再現される。本論文で提案された自発的プラズマ回転を駆動するメカニズムは、将来のトカマク型核融合炉のより経済的な運転を実現するために利用できる可能性がある。