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The effect of diamagnetic drift on the boundary conditions in tokamak scrape-off layers and the distribution of plasma fluxes near the target

A V Chankin, P C Stangeby1994年Plasma Physics and Controlled FusionIF 2.2出版社

The standard model for the two-dimensional simulation of the scrape-off layer (SOL) in the divertor is based on the equations for anomalous cross-field particle and energy transport and classical parallel transport. Recently, it has been complemented by the fluid equations of Braginskii to include all classical fluxes in a self-consistent way. The main physical effect of introducing classical fluxes is the appearance of two new terms-an electrical E*B drift and a diamagnetic B* Del P drift, as well as B* Del T contributions to the energy transport. Although the new models provide an adequate consideration of all the classical fluxes inside the plasma, a mistake has typically been made in the literature in formulating the new boundary conditions. The poloidal component of the B* Del Pi drift, existing inside the plasma, is assumed to continue through to the target surface, thus altering the Bohm criterion. Likewise, the poloidal current due to the B* Del (Pi+Pe) term is assumed to reach the surface, changing the surface electric potential drop. In this paper we demonstrate, however, that the diamagnetic fluxes in the whole plasma, including the SOL region, in their major part can be represented by the curl of a vector and, therefore, are self-terminating. We have made a detailed analysis of the distribution of plasma pressure and fluxes at the boundary between the plasma and the surface, encompassing the magnetic presheath and Debye sheath layers. After entering the presheath entrance, the poloidal component of the diamagnetic flux is diverted in the direction along the material surface due to the sharp pressure gradient in the presheath region. This creates boundary drift flows along the surface. Because of that conversion of the poloidal diamagnetic fluxes into boundary fluxes they do not deliver particles and current to the surface and therefore must not be included in the modified boundary conditions. Kinetic analysis of the distribution of the fluxes near the target also reveals an additional ExB drift in the radial direction, which mainly affects the ion motion in the magnetic presheath and Debye sheath layers. This drift is expected to shift the density profile of the plasma near the target in the radial direction a distance of the order of the ion poloidal Larmor radius.

日本語訳

ダイバータにおけるスクレイプオフ層(SOL)の2次元シミュレーションの標準モデルは、異常な横断方向の粒子輸送とエネルギー輸送、および古典的な平行輸送の方程式に基づいている。近年、このモデルはブラギンスキーの流体方程式によって補完され、すべての古典的なフラックスを自己無撞着な方法で含むようになった。古典的なフラックスを導入することによる主な物理的効果は、2つの新しい項、すなわち電気的E×Bドリフトと反磁性のB×∇Pドリフト、ならびにエネルギー輸送へのB×∇Tの寄与が現れることである。新しいモデルはプラズマ内部のすべての古典的なフラックスを適切に考慮しているが、文献では境界条件を定式化する際に誤りがしばしば見られる。プラズマ内部に存在するB×∇Piドリフトのポロイダル成分が、ターゲット表面まで連続すると仮定され、それによってボーム条件が変更されるとされている。同様に、B×∇(Pi+Pe)項によるポロイダル電流が表面に到達すると仮定され、表面電位降下が変化するとされている。しかし本論文では、全プラズマ領域(SOL領域を含む)における反磁性フラックスは、その主要部分がベクトルの回転として表現でき、したがって自己終端することを示す。我々は、磁気シース前駆層とデバイシース層を含む、プラズマと表面の境界におけるプラズマ圧力とフラックスの分布を詳細に解析した。シース前駆層の入口に入ると、反磁性フラックスのポロイダル成分は、シース前駆層内の急峻な圧力勾配により、材料表面に沿った方向へ方向転換される。これにより、表面に沿った境界ドリフト流が生じる。ポロイダル反磁性フラックスが境界フラックスへ変換されるため、それらは粒子と電流を表面に運ばず、したがって修正された境界条件に含めるべきではない。ターゲット近傍のフラックス分布の運動論的解析は、さらに、磁気シース前駆層とデバイシース層におけるイオン運動に主に影響を与える、径方向の追加的なE×Bドリフトの存在を明らかにする。このドリフトは、ターゲット近傍のプラズマ密度分布を、イオンポロイダルラーモア半径の程度の距離だけ径方向にシフトさせると予想される。

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