The impurity effects on quasi-linear turbulent heat transport induced by ion temperature gradient and trapped electron modes in tokamak plasmas are numerically studied, using a full gyrokinetic description for main and impurity ions. The unstable modes in independent and hybrid states are all taken into account. The fluxes integrated over the complete spectrum rather than taking an individual characteristic kθρs of poloidal wave-vector are systematically investigated. The results indicate that the injected impurity enhances the heat transport of main ions and electrons, and the maximum variations of the former are shown to be approximately twice as high as those of the latter, i.e. ΔQi−sum ∼ 2ΔQe−sum for the core plasmas of the parameters in this work. In contrast, the impurity ions can induce reduction of the edge ion heat fluxes, while the electron heat fluxes are almost unchanged. Such distinct behaviors are found to be associated with the transition of instabilities types and dominated regimes of heat transport. Significantly, reversed magnetic shear, large temperature ratios of electrons to main ions as well as high mass numbers of impurity ions contribute to the improvement of confinement and formation of energy pinch. The newly updated code identifies individual contributions to heat transport from conductive and convective fluxes, both of which are composed of diagonal, off-diagonal diffusive and non-diffusive components and thus is expected to be a powerful tool for experimental data analysis as well. The phase shift (larger than π/2) is demonstrated to be a reasonable mechanism for the induction of energy pinch.
トカマクプラズマにおけるイオン温度勾配モードおよび捕捉電子モードによって誘起される準線形乱流熱輸送に対する不純物効果を、主イオンおよび不純物イオンに対して完全ジャイロ運動論的記述を用いて数値的に研究した。独立状態および混成状態における不安定モードをすべて考慮した。ポロイダル波数ベクトルの個別の特性値kθρsを取るのではなく、完全なスペクトルにわたって積分されたフラックスを系統的に調査した。結果は、注入された不純物が主イオンおよび電子の熱輸送を増強すること、そして前者の最大変動は後者の約2倍であること、すなわち本論文のパラメータのコアプラズマに対してΔQi−sum ∼ 2ΔQe−sumであることを示している。対照的に、不純物イオンは周辺部のイオン熱フラックスの低減を誘起できる一方、電子熱フラックスはほぼ変化しない。このような明確な挙動の違いは、不安定性のタイプの遷移および熱輸送の支配領域と関連することが見出された。重要なことに、反転磁気シア、電子と主イオンの大きな温度比、および不純物イオンの高い質量数は、閉じ込めの改善とエネルギーピンチの形成に寄与する。新たに更新されたコードは、熱輸送に対する伝導性フラックスと対流性フラックスからの個別の寄与を同定し、その両方が対角項、非対角項の拡散成分および非拡散成分から構成されるため、実験データ解析のための強力なツールとなることが期待される。(π/2より大きい)位相差は、エネルギーピンチの誘起の合理的なメカニズムであることが実証された。