In this work, we extend our previous studies Singh et al (2023 Nucl. Fusion 63 086029, Singh et al (2024 Nucl. Fusion 64 106005) by performing global electromagnetic gyrokinetic simulations including collisions using the ORB5 particle-in-cell code, spanning the plasma from magnetic axis to separatrix. The analysis focuses on ion temperature gradient (ITG) and trapped electron mode (TEM) turbulence in both linear and nonlinear regimes for experimentally relevant profiles and parameters of the ADITYA-U tokamak, employing realistic MHD equilibria with circular () and elongated () magnetic geometries. Linear simulations show that finite- effects () reduce the ITG growth rates by approximately 10%. Owing to the relatively high collisionality of ADITYA-U plasmas, resulting from low electron temperatures, TEMs are strongly suppressed, leaving ITG and short-wavelength ITG modes as the dominant instabilities. Nonlinear simulations are performed for three cases: (i) electrostatic without collisions, (ii) electromagnetic without collisions, and (iii) electromagnetic with collisions. The results demonstrate that different physical mechanisms contribute distinctly to the reduction of turbulent transport. Magnetic shaping alone () is found to reduce the ion heat flux by approximately 25% compared to the circular equilibrium. Electromagnetic effects further reduce the transport by about 10% relative to the electrostatic case. In addition, collisions lead to a further reduction of 25%–30%, primarily through the suppression of TEM turbulence and modification of turbulence saturation dynamics. These reductions are obtained from separate comparisons between simulations including or excluding the corresponding physical effects. In particular, collisions modify the electron response and suppress the trapped-electron contribution, leading to changes in both turbulence amplitude and saturation dynamics. Overall, the combined effect of magnetic shaping, finite-, and collisions leads to a substantial reduction in turbulent transport in ADITYA-U, with ITG-dominated turbulence governing the transport in the high-collisionality regime.
本研究では、我々は以前の研究(Singh et al (2023 Nucl. Fusion 63 086029, Singh et al (2024 Nucl. Fusion 64 106005))を拡張し、ORB5パーティクル・イン・セルコードを用いて、磁気軸からセパラトリクスまで及ぶプラズマを対象とする、衝突を含むグローバル電磁ジャイロ運動論的シミレーションを実行する。解析は、ADITYA-Uトカマクの実験的に関連するプロファイルとパラメータに対して、円形()および伸長された()磁気幾何形状を持つ現実的なMHD平衡を用いて、線形および非線形領域のイオン温度勾配(ITG)および捕捉電子モード(TEM)乱流に焦点を当てる。線形シミレーションは、有限β効果()がITG成長率を約10%低減することを示す。低い電子温度に起因するADITYA-Uプラズマの比較的高い衝突性により、TEMは強く抑圧され、ITGおよび短波長ITGモードが支配的な不安定性として残る。非線形シミュレーションは、3つのケース、すなわち(i)衝突なしの静電的、(ii)衝突なしの電磁的、(iii)衝突ありの電磁的について実行される。結果は、異なる物理的メカニズムが乱流輸送の低減にそれぞれ明確に寄与することを示している。磁気形状効果のみ()は、円形平衡と比較してイオン熱流束を約25%低減することが見出された。電磁的効果は、静電的な場合と比較して輸送をさらに約10%低減する。さらに、衝突は、主にTEM乱流の抑圧と乱流飽和ダイナミクスの変更を通じて、さらなる25%–30%の低減をもたらす。これらの低減は、対応する物理的効果を含むシミレーションと含まないシミレーションとの個別の比較から得られる。特に、衝突は電子応答を変更し、捕捉電子の寄与を抑圧し、乱流振幅と飽和ダイナミクスの両方に変化をもたらす。全体的に、磁気形状効果、有限β、および衝突の複合効果は、ADITYA-Uにおける乱流輸送の大幅な低減をもたらし、高衝突性領域ではITGが支配する乱流が輸送を支配する。