弱衝突性ジャイロ運動論に基づくプラズマ乱流の直接数値シミュレーション研究

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新たに開発した非線形ジャイロ運動論的ヴラソフ・シミュレーションコードにより、イオン温度勾配(ITG)乱流におけるイオン速度分布関数構造と輸送の関連を調べた。まず、スラブ配位の場合と同等のエントロピー・バランス方程式をトロイダル・フラックス・チューブ配位について導出し、それが弱衝突性ITG乱流のシミュレーションにおいて精度良く成り立っていることを確かめた。その上で、バナナ領域に相当する弱い衝突が存在する定常乱流において、乱流による熱輸送と衝突によるエントロピー散逸が釣り合うことを確認した。異常輸送を分布関数のレベルからこのように高精度でシミュレーションした例は他になく、世界的にもユニークな成果を挙げている。乱流中での速度分布関数構造を見ると、主としてイオン熱輸送を担う長波長モードでは線形固有関数に近い比較的なだらかな速度空間分布が支配的であるが、安定な短波長モードにおいてはより微細な構造が卓越する。このことは、輸送を担う長波長の不安定モードにより生成されたエントロピー揺動が、位相混合によってより微細な構造へと運ばれ、衝突により散逸することで、定常乱流輸送が維持される、というシナリオに合致する。一方、上で述べられた速度分布関数構造の特徴はスラブITG乱流においても見出され、流体方程式の無散逸完結モデルを支持する結果を与えている。この結果は、IAEA会議において口頭発表された。さらに線形ジャイロ運動論的ヴラソフ・シミュレーションコードをヘリカル系に拡張し、ヘリカル型配位におけるゾーナル・フローの振る舞いを調べ、理論解析と良い一致を見た。同時に、ヘリカル系において特有な捕捉粒子の運動を分布関数構造から同定した。