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The effect of tangential drifts on neoclassical transport in stellarators close to omnigeneity

Iván Calvo, Felix I Parra, José Luis Velasco, J Arturo Alonso2017年Plasma Physics and Controlled FusionIF 2.2出版社

In general, the orbit-averaged radial magnetic drift of trapped particles in stellarators is non-zero due to the three-dimensional nature of the magnetic field. Stellarators in which the orbit-averaged radial magnetic drift vanishes are called omnigeneous, and they exhibit neoclassical transport levels comparable to those of axisymmetric tokamaks. However, the effect of deviations from omnigeneity cannot be neglected in practice, and it is more deleterious at small collisionalities. For sufficiently low collision frequencies (below the values that define the regime), the components of the drifts tangential to the flux surface become relevant. This article focuses on the study of such collisionality regimes in stellarators close to omnigeneity when the gradient of the non-omnigeneous perturbation is small. First, it is proven that closeness to omnigeneity is required to actually preserve radial locality in the drift-kinetic equation for collisionalities below the regime. Then, using the derived radially local equation, it is shown that neoclassical transport is determined by two layers located at different regions of phase space. One of the layers corresponds to the so-called regime and the other to the so-called superbanana-plateau regime. The importance of the superbanana-plateau layer for the calculation of the tangential electric field is emphasized, as well as the relevance of the latter for neoclassical transport in the collisionality regimes considered in this paper. In particular, the role of the tangential electric field is essential for the emergence of a new subregime of superbanana-plateau transport when the radial electric field is small. A formula for the ion energy flux that includes the regime and the superbanana-plateau regime is given. The energy flux scales with the square of the size of the deviation from omnigeneity. Finally, it is explained why below a certain collisionality value the formulation presented in this article ceases to be valid.

日本語訳

一般に、ステラレーターにおける捕捉粒子の軌道平均された動径方向磁気ドリフトは、磁場の三次元性により非零である。軌道平均された動径方向磁気ドリフトが消滅するステラレーターはオムニジェナスと呼ばれ、軸対称トカマクに匹敵する新古典輸送レベルを示す。しかしながら、オムニジェナス性からのずれの効果は実際には無視できず、その効果は低衝突頻度においてより有害である。十分に低い衝突周波数(レジームを定義する値以下)では、磁気面に接する方向のドリフト成分が重要となる。本論文は、非オムニジェナス摂動の勾配が小さい場合における、オムニジェナスに近いステラレーターのこのような衝突レジームの研究に焦点を当てる。まず、レジーム以下の衝突頻度において、ドリフト運動論方程式の動径方向局所性を実際に維持するためにはオムニジェナス性への近接性が必要であることが証明される。次に、導出された動径方向局所方程式を用いて、新古典輸送が位相空間の異なる領域に位置する二つの層によって決定されることが示される。一方の層はいわゆるレジームに対応し、他方の層はいわゆるスーパーバナナプラトー・レジームに対応する。接線方向電場の計算におけるスーパーバナナプラトー層の重要性が強調され、本論文で考察する衝突レジームにおける新古典輸送に対するその関連性も強調される。特に、動径方向電場が小さい場合、スーパーバナナプラトー輸送の新しいサブレジームの出現には接線方向電場の役割が本質的である。レジームとスーパーバナナプラトー・レジームを含むイオンエネルギー束の公式が与えられる。エネルギー束はオムニジェナス性からのずれの大きさの二乗に比例してスケールする。最後に、特定の衝突頻度値以下で本論文で提示された定式化が妥当でなくなる理由が説明される。

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StellaratorNeoclassical transport
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