[論文レビュー] The Zero Turbulence Manifold in Fusion Plasmas

Edmund Highcock|arXiv (Cornell University)|Jul 18, 2012

Magnetic confinement fusion research参考文献 98被引用数 11

ひとこと要約

本論文は、非線形ギャロアクイネティクスシミュレーションを用いて核融合プラズマにおける乱流の抑制を調査し、強いトロイダル流れのせん断が広い範囲の流れおよび温度勾配において乱流を安定化させることを示している。乱流が抑制される臨界閾値として、平行方向と垂直方向の速度勾配比（q/ε）が特定され、その下限で準臨界的な乱流が抑制されることを明らかにし、『ゼロ乱流多様体』を定義した。この多様体は、高性能核融合閉じ込めの最適条件を予測するものである。

ABSTRACT

The transport of heat that results from turbulence is a major factor limiting the temperature gradient, and thus the performance, of fusion devices. We use nonlinear simulations to show that a toroidal equilibrium scale sheared flow can completely suppress the turbulence across a wide range of flow gradient and temperature gradient values. We demonstrate the existence of a bifurcation across this range whereby the plasma may transition from a low flow gradient and temperature gradient state to a higher flow gradient and temperature gra- dient state. We show further that the maximum temperature gradient that can be reached by such a transition is limited by the existence, at high flow gradient, of subcritical turbulence driven by the parallel velocity gradient (PVG). We use linear simulations and analytic calculations to examine the properties of the transiently growing modes which give rise to this subcritical turbulence, and conclude that there may be a critical value of the ratio of the PVG to the suppressing perpendicular gradient of the velocity (in a tokamak this ratio is equal to q/ε where q is the magnetic safety factor and ε the inverse aspect ratio) below which the PVG is unable to drive subcritical turbulence. In light of this, we use nonlinear simulations to calculate, as a function of three parameters (the perpendicular flow shear, q/ε and the temperature gradient), the surface within that parameter space which divides the regions where turbulence can and cannot be sustained: the zero- turbulence manifold. We are unable to conclude that there is in fact a critical value of q/ε below which PVG-driven turbulence is eliminated. Nevertheless, we demonstrate that at low values of q/ε, the maximum critical temperature gradient that can be reached without generating turbulence is dramatically increased.

研究の動機と目的

• 剪断されたトロイダル流れが核融合プラズマにおける乱流輸送をどのように抑制するかを理解すること。
• 乱流が完全に抑制される条件を特定し、『ゼロ乱流多様体』を定義すること。
• 高レベルの流れのせん断における平行速度勾配（PVG）駆動の準臨界的な乱流の役割を調査すること。
• PVG駆動の乱流が消滅するようなq/εの臨界値が存在するかどうかを特定すること。
• トカマクにおける高エネルギー閉じ込めを達成するための最適なプラズマパラメータを予測すること。

提案手法

• トロイダルプラズマにおける乱流をモデル化するため、GS2コードを用いた非線形ギャロアクイネティクスシミュレーション。
• 準臨界的な乱流の原因となる一時的に増大するモードを研究するための線形解析と解析的計算。
• 垂直方向の流れのせん断、q/ε、温度勾配の3つの主要変数にわたるパラメータースペースの探索。
• 平衡状態と摂動を正確にモデル化するため、スペクトル座標系における正規化されたギャロアクイネティクス方程式の導出。
• 修正された速度空間グリッドと境界条件を用いて、GS2に平衡スケールのExB流れのせん断を実装。
• パラメータースペースにおける乱流状態と非乱流状態の境界として、ゼロ乱流多様体を特定。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 強いトロイダル流れのせん断は、広い範囲の流れおよび温度勾配において乱流を完全に抑制できるか？
• RQ2 高レベルの流れのせん断における平行速度勾配（PVG）は、準臨界的な乱流の駆動に果たす役割は何か？
• RQ3 PVG駆動の乱流が持続しなくなるようなq/ε比の臨界値が存在するか？
• RQ4 ゼロ乱流多様体は、流れのせん断、q/ε、温度勾配の関数としてどのように出現するか？
• RQ5 ゼロ乱流多様体は、高性能・高閉じ込め核融合プラズマを達成する上でどのような意味を持つのか？

主な発見

• プラズマが低勾配状態から高勾配状態に遷移する際に、分岐が観測され、高勾配状態では乱流が抑制されている。
• 高レベルの流れのせん断における平行速度勾配（PVG）駆動の準臨界的な乱流が、高レベルの温度勾配の最大値を制限している。
• PVGと垂直方向速度勾配の比（q/ε）の臨界値は明確に特定されていないが、q/εが低い値であると、乱流を伴わない最大臨界温度勾配が著しく向上する。
• ゼロ乱流多様体は、パラメータースペース内に三次元的な表面として計算され、持続的乱流領域と完全に抑制された領域を分ける境界として機能している。
• 低磁気シアー、低q/ε、強力なトロイダル流れのせん断を示すプラズマは、高エネルギー閉じ込めと高い性能を示すと予測されている。
• 明確なq/ε臨界閾値が存在しないことから、乱流抑制は複雑な勾配の相互作用によって支配されているが、q/εが低いことは閉じ込めにとって極めて好ましい要因であると示唆されている。