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Statistical study for ITG turbulent transport in flux-driven tokamak plasmas based on global gyro-kinetic simulation

W. Wang, Y. Kishimoto, K. Imadera, H.R. Liu, J.Q. Li, M. Yagi, Z.X. Wang2020年被引用 15Nuclear FusionIF 3出版社

Flux-driven ion temperature gradient (ITG) turbulence and associated transport regulated by non-local and non-diffusive processes are investigated based on GKNET simulations in a global toroidal geometry. Among these processes, the instantaneous formation of radially extended quasi-coherent structure, which leads to the transport burst, is found to play an important role in causing global profile formation and relaxation. To elucidate the characteristics of such a transport process, we introduce the size probability distribution function (size-PDF) to analyze heat flux eddies in the real space, with the eddy size, incorporated with Fourier-based approaches in spectral space. In the size-PDF to the quiescent phase, is found to be fitted by three piecewise power laws which transitions at two typical sizes, and , as , , and , where and in squared gyro-radius unit for the system with (a: the minor radius). On the other hand, the size-PDF in the bursting phase exhibits non-power-law irregular humps which corresponds to the quasi-coherent structures for reaching to . Such a coherent structure is ascribed to the spontaneous alignment of smaller scale eddies through phase matching in radial direction, which is classified as a quasi-deterministic process. Resultantly, a large amount of free energy is extracted from the system due to subsequent growth of the event, by which a self-organized profile is established. The coherent structure is then readily disintegrated by self-generated zonal flows, followed by the energy transferred to smaller eddies. Finally, turbulent transport in the steady state of a flux-driven system is found to be regulated by the mixture of such quasi-deterministic process and probabilistic processes, which leads to stiffness and resilience in the profile formation and self-similarity in the relaxation.

日本語訳

磁場勾配駆動型のイオン温度勾配(ITG)乱流と、非局所的かつ非拡散的な過程によって制御される関連する輸送現象を、グローバルなトロイダル磁場配位におけるGKNETシミュレーションに基づいて調査する。これらの過程の中で、輸送バーストを引き起こす半径方向に拡張された準コヒーレント構造の瞬間的な形成が、グローバルな分布形成と緩和において重要な役割を果たすことが見出された。このような輸送特性を解明するために、実空間における熱流束渦の解析に渦サイズの確率密度分布関数(サイズPDF)を導入し、フーリエ空間におけるアプローチと組み合わせる。静穏期におけるサイズPDFは、2つの遷移サイズで区切られる3つのべき乗則によって記述されることが見出され、それぞれの指数は、、であり、ここでとは系の平方ジャイロ半径単位で表され、は主半径を表す。一方、バースト期におけるサイズPDFは、非べき乗則的な不規則なハンプを示し、これはに達する準コヒーレント構造に対応する。このようなコヒーレント構造は、半径方向における位相整合を通じた小規模渦の自発的な整列に起因し、準決定的過程として分類される。その結果、イベントのその後の成長により系から大量の自由エネルギーが抽出され、自己組織化的な分布が確立される。その後、コヒーレント構造は自己生成された帯状流によって容易に破壊され、エネルギーは小規模渦へと輸送される。最終的に、磁束駆動系の定常状態における乱流輸送は、このような準決定的過程と確率的過程の混合によって制御されることが見出され、これが分布形成における剛性と回復力、および緩和における自己相似性をもたらす。

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Ion temperature gradientTurbulent transport
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