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A comparative study of transport in stellarators and tokamaks

Ulrich Stroth1998年Plasma Physics and Controlled FusionIF 2.2出版社

Experimental results on transport in stellarators and tokamaks are reviewed in a comparative sense. The objective is to learn about the importance of plasma current and magnetic shear for anomalous transport in high-temperature plasmas. On the basis of scaling expressions, the absolute values and parameter dependences of the confinement time are similar if the plasma current is expressed in terms of magnetic field parameters. The degradation of confinement with heating power is of the same order in both devices and it is difficult to explain it in terms of a diffusivity which depends on temperature or temperature gradient. The density dependence of confinement observed in stellarators has similar features as in ohmically heated tokamak discharges. A linear and a saturated regime can be distinguished. The critical density, at which saturation sets in, has a similar value and it seems to decrease with increasing machine size. Power degradation, transient transport, profile consistency and non-local transport are treated as related problems, which are connected to the question of the temperature dependence of the thermal diffusivity. Results from the various experiments cannot yet be described with a consistent physical picture. However, the importance of non-local effects is established in stellarators and tokamaks, although observed in different types of perturbation experiments. In stellarators and tokamaks, fluctuation measurements in the scrape-off layer are consistent with drift-wave-like turbulence being responsible for anomalous transport. In the core, density fluctuation amplitudes increase together with the diffusivity when the density is increased but the two parameters show opposite trends with increasing heating power. It turns out that transport in the two classes of devices is more alike than it has previously appeared. This indicates that the strong toroidal plasma current, major rational values of the rotational transform inside the plasma or strong magnetic shear are not the central elements of a theoretical model for anomalous transport in fusion plasmas.

日本語訳

恒星状磁場配位器(ステラレーター)とトカマクにおける輸送に関する実験結果を比較的観点から概説する。その目的は、高温プラズマにおける異常輸送に対するプラズマ電流と磁気シアの重要性を理解することである。スケーリング則に基づけば、プラズマ電流を磁場パラメータで表すと、閉じ込め時間の絶対値とパラメータ依存性は両者で類似している。加熱パワーによる閉じ込めの劣化は両装置で同程度であり、温度または温度勾配に依存する拡散係数では説明することが困難である。オーミック加熱トカマク放電で観測される密度依存性と同様の特徴が恒星状磁場配位器でも見られる。線形領域と飽和領域が区別でき、飽和が始まる臨界密度は両者で類似した値を示し、装置規模の増大とともに低下する傾向がある。パワー劣化、過渡的輸送、プロファイルの整合性、非局所輸送は相互に関連する問題として扱われ、熱拡散係数の温度依存性の問題と結びついている。様々な実験結果は、まだ一貫した物理像として記述されていない。しかし、非局所効果の重要性は恒星状磁場配位器とトカマクの両方で確立されており、異なるタイプの摂動実験で観測されている。恒星状磁場配位器とトカマクの両方において、スクレイプオフ層でのゆらぎ測定は、ドリフト波に類似した乱流が異常輸送の原因であることと整合的である。コア領域では、密度を増加させると拡散係数とともに密度ゆらぎ振幅も増加するが、加熱パワーを増加させると両パラメータは逆の傾向を示す。結局、両タイプの装置における輸送は、これまで考えられていたよりも類似していることが明らかになった。これは、強いトロイダルプラズマ電流、プラズマ内部の有理的回転変換面、または強い磁気シアが、核融合プラズマにおける異常輸送の理論モデルの中心的な要素ではないことを示している。

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