This study investigates the impact of various impurity species on peeling–ballooning (PB) modes and microturbulence in tokamak plasmas through the extension of traditional two-fluid and gyro-landau-fluid (GLF) models. By incorporating finite Larmor radius (FLR) effects, the analysis provides a comprehensive understanding of impurity-driven impact and its interaction with plasma turbulence. Depending on charge state and local plasma conditions, heavy impurities may exhibit gyro-radii larger than those of main ions, which are captured in the extended GLF model presented. Following the presentation of modified two-fluid equations incorporating impurity effects, we systematically analyze the distinctions between impurity and main ion dynamics and their resultant feedback mechanisms on plasma behavior. Derivation of the linear dispersion relation enables quantification of impurity-mediated modifications to: plasma vorticity, diamagnetic drift and gyroviscous effects, electron Hall physics, and FLR effects. BOUT++ – based linear simulations corroborate this formalism, demonstrating systematic stabilization of PB modes upon impurity seeding. And then operational implications for practical impurity control strategies in tokamak devices are proposed. The results underscore the necessity of impurity management to maintain stability and optimize plasma confinement, with specific focus on how FLR effects contribute to transport dynamics. This work paves the way for enhanced modeling and simulation efforts, supporting the development of strategies to control impurity-induced turbulence and improve overall reactor performance.
本研究は、トカマクプラズマにおける多種の不純物種がピーリング–バルーニング（PB）モードおよび微視的乱流に及ぼす影響を、従来の二流体モデルおよびジャイロ–ランダウ流体（GLF）モデルの拡張を通じて調査するものである。有限ラーマー半径（FLR）効果を取り入れることにより、本解析は不純物駆動の影響とプラズマ乱流との相互作用に関する包括的理解を提供する。電荷状態と局所プラズマ条件に応じて、重い不純物は主イオンよりも大きなジャイロ半径を示す場合があり、これは提示する拡張GLFモデルにおいて捕捉される。不純物効果を組み込んだ修正二流体方程式の提示に続き、我々は不純物と主イオンの力学の相違と、それらがプラズマ挙動に及ぼす結果的なフィードバック機構を系統的に解析する。線形分散関係の導出により、不純物を介した以下の修正の定量化が可能になる：プラズマ渦度、反磁性ドリフトおよびジャイロ粘性効果、電子ホール物理、FLR効果。BOUT++ に基づく線形シミュレーションはこの形式体系を裏付け、不純物シードによってPBモードが系統的に安定化されることを示している。そして、トカマク装置における実用的な不純物制御戦略に対する運転上の含意が提案される。結果は、安定性を維持しプラズマ閉じ込めを最適化するための不純物管理の必要性を強調するものであり、特にFLR効果が輸送ダイナミクスにどのように寄与するかに焦点を当てている。本研究は、高度化されたモデリングおよびシミュレーションの取り組みへの道を開き、不純物誘起乱流を制御し、全体の炉性能を向上させる戦略の開発を支援する。