Efficient control of turbulent heat transport is crucial for magnetic confinement fusion reactors. This work discusses the complex interplay between density gradients and microinstabilities, shedding light on their impact on turbulent heat transport in different fusion devices. In particular, the influence of density gradients on turbulent heat transport is investigated through an extensive inter-machine study, including various stellarators such as W7-X, LHD, TJ-II and NCSX, along with the Asdex Upgrade tokamak (AUG) and the tokamak geometry of the Cyclone Base Case (CBC). Linear and nonlinear simulations are performed employing the δf-gyrokinetic code stella across a wide range of parameters to explore the effects of density gradients, temperature gradients, and kinetic electrons. A strong reduction in ion heat flux with increasing density gradients is found in NCSX and W7-X due to the stabilization of temperature-gradient-driven modes without significantly destabilizing density-gradient-driven modes. In contrast, the tokamaks exhibit an increase in ion heat flux with density gradients. Notably, the behavior of ion heat fluxes in stellarators does not align with that of linear growth rates, if only the fastest-growing mode is taken into account. Additionally, this study provides physical insights into the microinstabilities, emphasizing the dominance of trapped-electron-modes (TEMs) in CBC, AUG, TJ-II, LHD and NCSX, while both the TEM and the passing-particle-driven universal instability contribute significantly in W7-X.
乱流熱輸送の効率的な制御は、磁場閉じ込め核融合炉にとって極めて重要である。本研究は、密度勾配と微視的不安定性の複雑な相互作用について議論し、それらがさまざまな核融合装置における乱流熱輸送に与える影響を明らかにするものである。特に、密度勾配が乱流熱輸送に及ぼす影響を、W7-X、LHD、TJ-II、NCSXなどのさまざまなステラレータに加え、Asdex Upgradeトカマク（AUG）およびCyclone Base Case（CBC）のトカマク形状を含む広範な装置間比較研究を通じて調査した。密度勾配、温度勾配、運動論的電子の影響を調べるため、広範囲のパラメータにわたってδf-ジャイロ運動論コードstellaを用いた線形および非線形シミュレーションを実施した。NCSXとW7-Xでは、密度勾配の増加に伴うイオン熱流束の強い減少が見られた。これは、密度勾配駆動モードを有意に不安定化することなく、温度勾配駆動モードが安定化されるためである。対照的に、トカマクでは密度勾配に伴うイオン熱流束の増加が見られた。注目すべきことに、ステラレータにおけるイオン熱流束の挙動は、最も速く成長するモードのみを考慮した場合の線形成長率の挙動とは一致しない。さらに、本研究は微視的不安定性に関する物理的知見を提供し、CBC、AUG、TJ-II、LHD、NCSXでは捕捉電子モード（TEMs）が支配的である一方、W7-XではTEMと通過粒子駆動の普遍的不安定性の両方が大きく寄与することを強調する。