[論文レビュー] Effect of collisions on non-adiabatic electron dynamics in ITG-driven microturbulence

C J Ajay, S. Brunner+1 more|arXiv (Cornell University)|Apr 26, 2021

Magnetic confinement fusion research参考文献 23被引用数 4

ひとこと要約

本研究は、電子衝突がイオン温度勾配（ITG）マイクロ乱流における非断熱的電子ダイナミクスに与える影響を調査し、衝突性が高まることでモード有理表面（MRS）から離れた領域における電子応答がより断熱的になるため、ITG固有モードの線形成長率が低下することを示している。衝突は径方向モード構造を広げ、固有モードの尾部の並進スケール長を電子平均自由行程に比例させるが、MRSにおける微細構造およびそれらが駆動する自己駆動型ゾーンフローは現実的な衝突性下でも持続する。

ABSTRACT

Non-adiabatic electron response leads to significant changes in ion temperature gradient (ITG) eigenmodes, leading, in particular, to fine-structures that are significantly extended along the magnetic field lines at corresponding mode rational surfaces (MRSs). These eigenmodes can nonlinearly interact with themselves to drive zonal flows via the so-called self-interaction mechanism. In this paper, the effect of collisions on these processes are studied. In the presence of non-adiabatic electrons, the linear growth rate of ITG eigenmodes decreases with the increasing collisionality. Detailed velocity space analysis of the distribution function shows that this results from collisions leading to a more adiabatic-like response of electrons away from MRSs. In linear simulations, collisions are furthermore found to broaden the radial width of the fine-structures, which translates to narrower tails of the eigenmode in extended ballooning space. The characteristic parallel scale length associated with these tails is shown to scale with the mean free path of electrons. In nonlinear turbulence simulations accounting for physically relevant values of collisionality, the fine-structures located at MRSs, together with the associated drive of zonal flows via self-interaction, are shown to persist and play a significant role. Published under an exclusive license by AIP Publishing.

研究の動機と目的

• 電子衝突がITG駆動マイクロ乱流における非断熱的電子応答に与える影響を理解すること。
• 衝突性がITG固有モードの線形成長率および径方向構造に与える影響を分析すること。
• 現実的な衝突性下でモード有理表面（MRS）における微細構造およびそれらが果たすゾーンフロー生成の役割がどのように持続するかを調査すること。
• 固有モードの尾部における並進スケール長が電子平均自由行程にどのようにスケーリングするかを特定すること。

提案手法

• 変動する衝突性を有するITG駆動マイクロ乱流をモデル化するために、線形および非線形のギャロアクイネティクスシミュレーションが用いられた。
• 非断熱的から断熱的のような応答への移行を評価するために、電子分布関数の速度空間解析が実施された。
• 固有モードの径方向および並進的構造を検討するために、バルーンモード表現が採用された。
• 衝突が存在する状況でのゾーンフロー生成の自己相互作用メカニズムが分析された。
• モード成長率、径方向幅、並進スケール長への影響を調査するために、衝突性を変動させた。
• 非線形シミュレーションでは物理的値の衝突性が用いられ、現実世界への関連性が評価された。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 非断熱的電子を有するITG固有モードの線形成長率に、衝突性の増加がどのように影響するか。
• RQ2 衝突がITG固有モードにおける微細構造の径方向幅および並進スケール長をどのように変化させるか。
• RQ3 MRSから離れた領域における非断熱的から断熱的応答への移行に、衝突が果たす役割は何か。
• RQ4 現実的な衝突性下で、MRSにおける微細構造およびそれらのゾーンフロー生成に寄与する自己相互作用メカニズムは、どの程度持続するか。
• RQ5 固有モードの尾部における並進スケール長と電子平均自由行程との間のスケーリング関係は何か。

主な発見

• MRSから離れた領域における電子応答がより断熱的になるため、衝突性が高まることでITG固有モードの線形成長率が低下する。
• 衝突は固有モードにおける微細構造の径方向幅を広げ、拡張バルーン空間におけるより狭い尾部をもたらす。
• 固有モードの尾部の特徴的な並進スケール長は、電子平均自由行程に比例してスケーリングする。
• 物理的衝突性レベルの非線形シミュレーションにおいて、MRSに局在化した微細構造が持続する。
• ゾーンフロー生成の自己相互作用メカニズムは、衝突が存在する状況でも活性的かつ顕著に保たれる。
• 速度空間における衝突散乱に起因する、より断熱的応答への移行が、非断熱的効果の低減と定量的に関連している。