An impurity hole observed in the large helical device (LHD) is a hollow density profile of an impurity ion species formed in the core plasma where the negative (inward-pointing) ambipolar radial electric field (Er) exists. Although local neoclassical models have predicted that the sign of Er in impurity hole plasmas is negative for the entire minor radius, an experimental measurement of an impurity hole plasma has shown that the Er changes the sign from negative to positive along the minor radius. In the present work, we investigate neoclassical impurity transport in an impurity hole plasma using a global neoclassical simulation code FORTEC-3D. The variation of electrostatic potential on each flux surface (Φ1) is evaluated from the quasi-neutrality condition in multi-ion-species plasma by the global simulation. The ambipolar Er and neoclassical fluxes are determined in solving a global drift-kinetic equation including the effect of Φ1. By the global simulation, we show that an Er which changes the sign along the radius is obtained as a solution of the ambipolar condition and with such an Er, impurity carbon flux can be outwardly directed even where Er < 0 and the carbon density profile is hollow around the magnetic axis. Furthermore, it is found that the outward carbon flux is only a factor 2–3 from balancing the modeled inward turbulent flux. Our result indicates that we have moved one step closer to reproducing the impurity transport in impurity hole plasmas by kinetic simulation.
大型ヘリカル装置（LHD）で観測される不純物ホールは、負（内向き）の両極性動径電場（Er）が存在するコアプラズマ中に形成される不純物イオン種の密度分布が中空となるものである。局所ネオクラシカルモデルは、不純物ホールプラズマにおけるErの符号が全小半径にわたって負であると予測してきたが、不純物ホールプラズマの実験計測により、Erは小半径に沿って負から正へ符号を変えることが示されている。本研究では、大域的ネオクラシカルシミュレーションコードFORETEC-3Dを用いて、不純物ホールプラズマ中のネオクラシカル不純物輸送を調査する。各磁気面上の静電ポテンシャルの変動（Φ1）は、大域シミュレーションにより多イオン種プラズマ中の準中性条件から評価される。両極性Erとネオクラシカルフラックスは、Φ1の効果を含む大域的ドリフト運動論方程式を解くことにより決定される。大域シミュレーションにより、半径に沿って符号を変えるErが両極性条件の解として得られ、そのようなErのもとでは、不純物炭素フラックスはEr < 0の領域でも外向きとなり得ること、炭素密度分布は磁気軸周辺で中空となることが示される。さらに、外向き炭素フラックスは、モデル化された乱流フラックスと釣り合うために必要な値のわずか2〜3倍であることが見出される。我々の結果は、運動論的シミュレーションによる不純物ホールプラズマ中の不純物輸送の再現に一歩近づいたことを示している。