課題名国際共同研究活動「LIA336 やプロヴァンス大学に係る共同研究

課題名国際共同研究活動「LIA336 やプロヴァンス大学に係る共同研究
および ITER International Summer School (IISS)等の推進」
（なお、フランスプロヴァンス大学がエクス・マルセイユ大学（Aix Marseille
University）と統合改名されたので、報告文中エクス・マルセイユ大学（Aix Marseille
University）と表記する。また ITER International Summer School (IISS)は ITER
International School (IIS)と改称されたので以下そのように表記する。）
研究代表者伊藤公孝（核融合科学研究所
大型ヘリカル研究部教授）
研究協力者海外
Prof. S. Benkadda (フランス、 LIA336 共同所長： Aix Marseille
University および CNRS)
Prof. Jean-Marc Layet (フランス、Aix Marseille University)
Prof. Alain Allouche (フランス、Aix Marseille University)
Prof. G. Fuhr (フランス、Aix Marseille University)
Prof. G. Bonhomme（フランス、Nancy-University）
国内
伊藤早苗（LIA336 共同所長：九州大学主幹教授、および極限プラズ
マ研究連携センター長）
矢木雅敏（九州大学客員教授：日本原子力研究開発機構グループリー
ダー）
稲垣滋（九州大学応用力学研究所教授）
浜口智志（大阪大学大学院工学研究科教授）
福山淳（京都大学大学院工学研究科教授）
加藤太治（核融合科学研究所大型ヘリカル研究部准教授）
石澤明宏（核融合科学研究所大型ヘリカル研究部助教）
洲鎌英雄（核融合科学研究所大型ヘリカル研究部主幹教授）
山田弘司（核融合科学研究所大型ヘリカル研究部主幹教授）
1.
目的と期待される成果
「磁場核融合に関する国際連携研究所 LIA336」やエクス・マルセイユ大学との協力
等に関わる国際共同研究活動を通じて磁場核融合研究の共同研究を推進し国際学術拠
点への発展を目指す。さらに ITER International School(IIS)を振興させ国際的人材育
成にも寄与する事を目指す。
特に今年度当初に期待された成果としては：
磁場や磁場構造というテーマに関する研究成果に焦点を当てて展開する；
ITER International School(IIS)を推進する；
若手研究者の育成を重んじる；
という観点から、エクス・マルセイユ大学との協力や開催される LIA336 の国際共同研
究活動、IIS のプログラム作成への寄与や講師派遣などを推進し研究成果をあげる。
2.
成果
2.1
第 5 回 LIA-336 国際研究ワークショップ開催
国際研究ワークショップを開催した。2014 年 6 月 23 日、ベルリンに於いて、5th
LIA Workshop を開催した。プログラムを資料１に示す。参加者は、France: S.
Benkadda, Guillaume Fuhr (Assist Prof, AMU), Arnaud Monnier (Postdoc),
Laurent Chone (PhD student, AMU)、Japan: S.-I. Itoh, K. Itoh の６名で、緊密な
議論が行われた。
乱流と磁気アイランドの相互作用について詳細な議論が行われた。このテーマに
関する研究結果は、2015 年のヨーロッパ物理学会で Benkadda 教授による招待講
演として発表される事となり、共同論文の執筆へと発展している。乱流空間ダイナ
ミックスの研究に関する共同研究の成果が本 WS で議論された。資料 2 に示す。
2.2 ITER International School(IIS)-2014 の実施
ITER International Summer School については、ITER International School と
改称され 2013 年は休止し、2014 年夏にフランスにて開催された。
我が国からは、福山教授（京都大学、出張期間 8/27-31）および石澤助教（核融
合科学研究所）を講師として派遣し、講義を行った。福山教授の講義タイトルは、
Integrated Modelling and Simulation of Toroidal Plasmas、石澤氏の講義は、ヘ
リカルプラズマとトカマクプラズマにおける電磁的ジャイロ運動論シミュレーシ
ョンのレビューである。石澤氏はその講義内容をレビュー論文として発表した（現
在印刷中：Ishizawa, Journal of Plasma Physics (2015)）
。いずれもアブストラク
トを資料 3、資料 4 に添付しておく。
2.3 ITER International School(IIS)-2015 の企画
下記に説明する Benkadda 教授の来日(2015 年 2 月 19 日〜2 月 25 日)の際に、IIS
の今後の学術テーマに関する検討を行った。Benkadda 教授の ITER IO との打ち合
わせをふまえ、IIS-2015 では、プラズマ閉じ込め（コア及び周辺プラズマの結合を
含む）が主題とされ、中国合肥で開催される事となっている。我が国からの講師派
遣(2015 年度)の調整を始めている。
2.4 国際共同研究
○長距離相関を持つ弾道的なダイナミクス
かねてより、Benkadda 博士を招聘するとともに長距離相関を持つ弾道的な乱流
ダイナミクスに関する共同研究を進めてきた。乱流場と圧力勾配に加え、速度シ
アという三つの物理量の結合した弾道的ダイナミクスを研究した。
非局所的な応答を齎す乱流のダイナミクスの定式法として、本研究において、
熱流の動的変動を大域的に観測し、Lagrangean correlation を観測する事により、
そうした応答を定量的に抽出する事に成功した。その成果を次の論文にまとめ投
稿した。LIA336 国際ワークショップに於ける発表資料を資料 2 に示している。
Satoru SUGITA, Kimitaka ITOH, Masatoshi YAGI, Sanae-I. ITOH, Guillaume
FUHR, Peter BEYER, and Sadruddin BENKADDA: Statistical Analysis of
Ballistic Propagation Distance in Edge Turbulence, Plasma Fusion Res. 9
(2014) 1203044
この研究の成果は、広い波及効果を示し始めている。波及例を紹介する。
理論研究では、乱流計測シミュレーターに於いて、長い相関長を持つ統計的な
ダイナミックスを探査する方法として取り入れられ、実際に計測法の開発を駆動
している。
N. Kasuya, Satoru Sugita, Shigeru Inagaki, Kimitaka Itoh, Masatoshi Yagi,
and Sanae-Inoue Itoh: On violation of local closure of transport relation in
high-temperature magnetized plasmas, Phys. Plasmas 21 (2014) 110701
Kasuya, N; Sugita, Satoru; Inagaki, Shigeru; Itoh, Kimitaka; Yagi, Masatoshi;
Itoh, Sanae-I: Simulation Study of Hysteresis in the Gradient-Flux Relation in
Toroidal Plasma Turbulence, Plasma Phys. Control. Fusion 57 (2015) in press
実験的にも、輸送の研究が進み局所的な関係式で完結させる「局所モデル」の
破綻が明確になっている。このテーマについて、総合的論文
K. Ida, Z. Shi, H. Sun, S. Inagaki, K. Kamiya, J. Rice, N. Tamura, P. H.
Diamond, T. Estrada, C. Hidalgo, X. L. Zou, G. Dif-Pradalier, T. S. Hahm, U.
Stroth, A. Field, K. Itoh, X. Ding, J. Dong, S.-I. Itoh, Y. Sakamoto, and S.
Oldenbürger, Towards an Emerging Understanding of Nonlocality Phenomena
and Nonlocal Transport,
Nucl. Fusion 55 (2015) 013022
において、今後問題を解決する為の概念として用いられた。この総合的な実験論
文の取りまとめに大きく寄与した。観測検証法も議論されている。
なお、これらの成果に関しては、杉田暁氏（中部大学中部高等学術研究所国
際 GIS センター）との共同研究に負うところが大きい事を特記する。
こうした研究は、LHD に於ける重水素実験研究の成否にとって大きな役割を果
たすと考えられる。従来経験的に観測されて来たプラズマ閉じ込めに於ける水素
同位体効果について、基礎物理学的な理解が希求されている。特に、文部科学省
「学術研究の大型プロジェクトに関する作業部会」は、計画推進に当たっての留
意点として「特に、本計画によって、理論的に解明できていないアイソトープ効
果等の研究を推進し、物理理解の新たな展開を促し、学術的な価値を高めること
が必要である。
」と明確に指摘している。こうした新しい研究を開拓するにあたっ
て、水素同位体効果についての一つの仮説として、[K. Itoh and S.-I. Itoh:Inﬂuence
of the wall material on the H-mode performance, Plasma Phys. Control. Fusion
37 (1995), pp.491] にある考えを拡張し、表面付近の原子分子過程を含むダイナミ
クスと、コアプラズマの乱流輸送が拡散モデルを超えた機構で結合する事に起因
する、という考え方を日本物理学会にて発表予定になっている。
伊藤公孝、他：
「プラズマ乱流輸送と原子分子過程の結合について」（日本物
理学会、年次大会（2015 年 3 月）
○電磁乱流に関する共同研究
核融合科学石澤助教とフランスの研究者との電磁乱流に関する共同研究を推進
した。
○プラズマ物質相互作用の研究
（1）プラズマと固体・気体との相互作用における磁場構造（2）プラズマ原子
分子物理学の応用、という新領域への試行を開始している。これらの研究を通じ
て、プラズマ原子分子ダイナミックス過程における磁場構造の効果という新領域
の研究の推進に寄与すると考えている。
エクス‐マルセイユ大学の Yves Ferro 助教、Alain Allouche 教授と核融合科学
研究所加藤太治准教授は、タングステンのプラズマ壁相互作用に関する第一原理
モデリングを共同で
進めている。その結果、PSI 国際会議（2014 年 5 月 26 日～30 日、金沢市で開催）
に 2 件の共著論文を発表した（資料 5 及び資料 6 に投稿アブストラクト添付）。以
上、本共同研究は着実に進展し、新しい知見が得られており、その成果の公表も
活発に進めている。今後の課題は、タングステン材料に関する新規基礎物性研究
を、核融合炉環境下での水素吸蔵量予測モデルの開発につなげることである。そ
のために、速度論などのマクロスコピックな方法も取り入れ、基礎実験との比較
による物理モデルのバリデーションを行う方針である。
2.5 International workshop on Models and Data for Plasma-Material Interaction
in Fusion Devices (MoD-PMI) の企画
核融合科学研究所加藤太治准教授とエクス・マルセイユ大学のYves Ferro助教・
Alain Allouche教授との共同研究は、新たな国際会議を開催する事へ発展した。
2015年5月25~27日にフランスのエクス・マルセイユ大学にて、International
workshop on Models and Data for Plasma-Material Interaction in Fusion
Devices (MoD-PMI)が開催される。本ワークショップは、核融合炉材料挙動の理
解と予測に向けた理論・シミュレーション研究の現状分析と今後の展望について議
論するために、IAEAの協賛を得て開催される運びとなった。詳しくは、ホーム
ページhttp://mod-pmi.sciencesconf.org/に説明されている。
国際共同研究拠点ネットワーク活動の推進としての顕著な成果である。
2.6
拠点形成の視点からのまとめ
本事業が自然科学研究機構の「自然科学研究における国際的学術拠点の形成」事
業の一環であり、国際的に高く評価される自然科学の国際的学術拠点を形成するこ
とを目的としていることに鑑み、拠点形成という視点からいくつかの特徴ある成果
について改めて述べる。
(i)国際連携研究所LIA336を発展させ、昨年度の報告に詳述したように、我が国に置
かれているLIAのなかで最も高い評価を得た事は、国際的学術拠点の形成の見
地から際立った成果と言える。その高い評価を得る基盤となった数々の研究
成果が蓄積されている。今後の発展も議論されるなど、将来の基盤も作られ
ている。
(ii)国際交換講義を行い、我が国の大学院教育の国際化を継続的かつ強く進めた。と
くに、二名のものが九州大学の学位にあわせtwin doctor degreeをフランスプ
ロバンス大学（及びエクス・マルセイユ大学）より授与された事は、特筆す
べき成果である。
(iii)ITER International Schoolを主体的に支えた。それが国際的に開催される状況を
作り出したのは国際連携研究所LIA336にかかわる共同事業が原動力であり、
国際的学術拠点の国際的活動として特記出来る。
(iv)プラズマ原子分子物理学研究と磁場構造の関連の探求等、萌芽的な研究育成にも
努めた。その一環でInternational
workshop on Models and Data for
Plasma-Material Interaction in Fusion Devices (MoD-PMI)がIAEAの協賛
を得て開催される運びとなった事も、国際的学術拠点の形成の見地から際立
った成果と言える。
3.
海外からの招聘
3.1 Benkadda 教授（CNRS/Aix-Marseille Univ.）の招聘
S. Benkadda(Aix-Marseille 大学教授、 International Institute for Fusion
Science 所長)
九州大学および大阪大学およびに招聘。（2015 年 2 月 19 日~2 月 25 日）。共同
研究並びに、集中講義を行った。国際講義に大きく寄与した。
磁気アイランドと乱流ダイナミクスに関する共同研究を進めた。これらの成果に
ついて議論した。ヨーロッパ物理学会における招待講演の論文執筆等について打ち
合わせを行った。
IIS2015 のプログラム構成を打ち合わせ、案を作り上げた。
（Benkadda 教授の国際講義の光景）
3.2 G. Fuhr
博士（Aix-Marseille Univ.）の招聘
G. Fuhr 博士を核融合科学研究所に招聘した。
（2015 年 2 月 23 日~2 月 27 日）。
共同研究を行うと主に、セミナーを行った。(2015 年 2 月 23 日（月）午後 3 時
30 分から 4 時 30 分。場所：シミュレーション科学研究棟 1 階会議室)
Title: Turbulence simulations of edge transport barrier, from the formation to
the associated dynamics
4.
講演要旨を資料 7 に示す。
課題と今後の予定
国際的学術拠点の形成については、LIA336 の将来的発展を具体化する。昨年度の報
告書にも述べたように、LIA336 は我が国に置かれたものでは最高の評価を得た。研究
成果及び twin doctor degree の育成等類のない成果も含め、LIA-336 の成果が極めて高
く評価された。当初 4 年間の協定が 2011 年 10 月 21 日で満了し、核融合科学研究所、
九州大学、大阪大学、エクス・マルセイユ大学、CNRS によって 2011 年 10 月 22 日か
らの次期 4 年間へと延長された。LIA は原則 8 年間で完了する。今後更に大規模な共
同研究に拡張する事も検討している。CNRS の枠で構想するか、エクス・マルセイユ
大学がフランスを代表する国際研究所とするか、現在分析が行われている。
大規模研究「非平衡極限プラズマ全国共同連携ネットワーク研究計画」実現に向けた
努力を行う。国際交流によって、国際的な評価を高め、国際的競争力を増すための努力
を行う。国際的研究者コミュニティの共同研究交流拠点形成を生み出す基盤をより確実
にする。
なお、本研究は、LHD に於ける重水素実験研究の成否にとっても大きな役割を果た
しうると考えられる。LHD に於ける重水素実験を中心主題とする学術拠点形成活動が
強化されるのなら、そちらへの知識循環を強化する事も有意義と考えられる。
ITER International School の推進については、我が国からの参加を支える中核とし
ての役割を果たし、ITER 活動に於ける学術的な先導性を実現している。今後とも ITER
活動に於ける学術的な先導性を保つために活動を展開する必要がある。
5.
5.1
論文等成果
論文投稿
直接成果
Satoru SUGITA, Kimitaka ITOH, Masatoshi YAGI, Sanae-I. ITOH, Guillaume
FUHR, Peter BEYER, and Sadruddin BENKADDA: Statistical Analysis of
Ballistic Propagation Distance in Edge Turbulence, Plasma Fusion Res. 9
(2014) 1203044
波及成果
N. Kasuya, Satoru Sugita, Shigeru Inagaki, Kimitaka Itoh, Masatoshi Yagi,
and Sanae-Inoue Itoh: On violation of local closure of transport relation in
high-temperature magnetized plasmas, Phys. Plasmas 21 (2014) 110701
Kasuya, N; Sugita, Satoru; Inagaki, Shigeru; Itoh, Kimitaka; Yagi, Masatoshi;
Itoh, Sanae-I: Simulation Study of Hysteresis in the Gradient-Flux Relation in
Toroidal Plasma Turbulence, Plasma Phys. Control. Fusion 57 (2015) in press
T. Kobayashi, K. Itoh, T. Ido, K. Kamiya, S.-I. Itoh, Y. Miura, Y. Nagashima, A.
Fujisawa, S. Inagaki, K. Ida, and K. Hoshino:
Dynamics of edge limit cycle oscillation in JFT-2M tokamak,
Nucl. Fusion 54 (2014) 073017
伊藤早苗, 稲垣滋, 藤澤彰英, 伊藤公孝: プロジェクトレビュー：
乱流プラズマの動的応答と動的輸送の統合研究 J. Plasma Fusion Res. 90 (2014)
793‐820
K. Ida, Z. Shi, H. Sun, S. Inagaki, K. Kamiya, J. Rice, N. Tamura, P. H.
Diamond, T. Estrada, C. Hidalgo, X. L. Zou, G. Dif-Pradalier, T. S. Hahm, U.
Stroth, A. Field, K. Itoh, X. Ding, J. Dong, S.-I. Itoh, Y. Sakamoto, and S.
Oldenbürger, Towards an Emerging Understanding of Nonlocality Phenomena
and Nonlocal Transport, Nucl. Fusion 55 (2015) 013022
5.2
発表
N. Fernandez, Y. Ferro, D. Kato, and A. Allouche:
H trapping and de-trapping in tungsten: a DFT investigation that includes
temperature dependency meant to understand TPD analysis and H retention
in W
PSI 国際会議（2014 年 5 月 26 日～30 日、金沢市で開催）
A. Allouche, N.Fernandez, Y.Ferro, D. Kato:
Hydrogen retention and diffusion in beryllium – tungsten alloys
PSI国際会議（2014年5月26日～30日、金沢市で開催）
伊藤公孝、他：「プラズマ乱流輸送と原子分子過程の結合について」（日本物理学
会、年次大会（2015 年 3 月）
資料 1
The LIA 336 Meeting at Berlin
Organized by S. Benkadda and S.-I. Itoh
Place: Berlin Congress Center in Room C03
Time: June 22 (Sunday) 2-5pm
Attending members:
France: S. Benkadda, Guillaume Fuhr (Assist Prof, AMU), Arnaud Monnier
(Postdoc), Laurent Chone (PhD student, AMU)
Japan: S.-I. Itoh, K. Itoh
Scientific Presentations
14:00 S. Benkadda: Opening and Report of Activities
14:15 S.-I. Itoh: Short Overview of Activity in Japan
14:30 Guillaume Fuhr: 3D Tearing and turbulence dynamics using 3d EM code
14:45 – 15:00 Break
15:00 K. Itoh: Ballistic motion of turbulence clump and front
15:15 Arnaud Monnier: RMPs stabilization of ELMs
15:25 Laurent Chone: LH transition modeling
15:35 Discussions
~16:30 Adjourn
資料 2
資料 3
Integrated Modelling and Simulation of Toroidal Plasmas
A. Fukuyama
Department of Nuclear Engineering, Kyoto University, Kyoto, Japan
Email address: fukuyama@nucleng.kyoto-u.ac.jp
Integrated modelling is indispensable for understanding nonlinear interactions
between various physical processes in toroidal plasmas, predicting the performance
of burning plasmas and developing control schemes for ITER and future fusion
reactors.
Integrated simulation should describe whole plasma, (core, edge, SOL
and divertor plasmas) and whole discharge (start up, sustainment, unexpected
disturbance, and shut down). In order to describe various phenomena in toroidal
plasmas, integrated modelling codes include a variety of components describing
equilibrium, global stability, transport, energetic particles, actuators, and control
systems.
The time evolution of plasma is mainly described by transport
components, and several levels of transport modelling are available, conventional
diffusive modelling, dynamic multi-fluid modelling, and kinetic velocity distribution
function modelling, even if turbulence modelling is separated based on the
difference of time scale.
Since many components are included in integrated
modelling, systematic schemes for data exchange and execution control are
necessary.
Standard plasma data models and data access interfaces have been
developed and implemented in integrated modelling codes.
As an example, the
integrated modelling code, TASK, is introduced and applied to the simulation of
plasmas in tokamaks and helical devices.
資料 4
Electromagnetic gyrokinetic simulation of turbulence in torus plasmas
A. I shizawa, S. Maeyama, T. -H. Watanabe, H. Sugama, and N. Nakajima
Gyrokinetic simulations of electromagnetic turbulence in magnetically confined
torus plasmas including tokamak and heliotron/stellarator plasmas are reviewed.
Numerical simulation of turbulence in finite beta plasmas is an important task for
predicting performance of fusion reactors and a great challenge in computational
science due to multiple spatio-temporal scales related to electromagnetic ion and
electron dynamics. The simulation becomes further challenging in nonaxisymmetric
plasmas. In finite beta plasmas magnetic perturbation plays a role in linear
instability, zonal flow production, and thus turbulent transport. Linear analysis
shows that the ion-temperature gradient instability (ITG), which is essentially an
electrostatic instability, is unstable at low beta and its growth rate is reduced by
magnetic field line bending. On the other hand, the kinetic ballooning mode, which
is an electromagnetic instability, is destabilized at high beta. In addition, trapped
electron modes and micro-tearing modes can be destabilized, and these instabilities
are classified into two categories: ballooning parity and tearing parity modes.
These parities are mixed by nonlinear interactions. In the nonlinear evolution, the
zonal flow shear acts to regulate the ITG driven turbulence at low-beta, while the
production of zonal flow is influenced as well as the linear growth rate at finite beta,
and thus their interplay becomes complicated. When the zonal flows are too weak,
turbulence continues to grow beyond a physically relevant level of saturation at
finite-beta tokamaks. Nonlinear entropy transfer analysis is useful for studying the
saturation mechanism of turbulence.
資料 5
H trapping and de-trapping in tungsten: a DFT investigation that includes
temperature dependency meant to understand TPD analysis and H retention in W
N. Fernandeza, Y. Ferroa, D. Katob, and A. Allouchea
aAix-Marseille
bNational
Université, CNRS, PIIM UMR 7345, 13 397 Marseille, France
Institute for Fusion Science,322-6 Oroshi-cho, Toki 509-5292, Japan
yves.ferro@univ-amu.fr
This work is meant to understand TPD analysis in tungsten and the mechanisms
that govern H retention in tungsten.
We calculated the trapping and diffusion energies of interstitial H atoms (Hint) in
tungsten, and the trapping energies in vacancies (V) of one to twelve H atoms (VHj,
j=1,12). These calculations are performed with Density Functional Theory (DFT),
meaning at 0K temperature. A subsequent vibrational analysis is performed
through phonon calculations to add the temperature dependency: enthalpies,
entropies en free Gibbs enthalpies are then produced as a function of temperature.
This enables us to access kinetic properties: we used the calculated activation
energies, calculated the pre-factors of the Arrhenius laws, and are able to associate
to each peak in the TPD spectra the corresponding de-trapping processes.
The hydrogen population in tungsten can distribute itself in many different ways,
leading to many different configurations of trapped H atoms VHj. This statistic is
taken into account through configurationally entropy. The Hint and VHj
concentration are calculated at equilibrium as a function of the temperature.
Kinetics and thermodynamic data are then complementary: the first one allows
determining the temperature of desorption peaks, the second one would help
determining their relative intensity, on the way to the simulation of the TPD
spectra with no empirical parameters.
At the end of this work, we can understand the main mechanisms taking place in
the TPD spectra of not-too-damaged tungsten samples and the hydrogen retention
mechanisms in tungsten. An extension of this work toward more damaged
materials including big voids is also discussed.
資料 6
Hydrogen retention and diffusion in beryllium – tungsten alloys
A. Allouche, N.Fernandez, Y.Ferro
Physique des Interactions Ioniques et Moléculaires, CNRS and Aix-Marseille
Université (UMR7345), Campus
Scientifique de Saint Jérôme, service 242, 13397 Marseille Cedex 20 - FRANCE
D.Kato
National Institute for Fusion Science, 322-6 Oroshi-cho, Toki, Gifu 509-5292,
JAPAN
alain.allouche@univ-amu.fr
Numerous experiments have been performed in the past few years on solid hydride
deposition under beryllium seeded plasma action or on energetic hydrogen
implantation into metallic beryllium; many others have been devoted to hydrogen
retention and diffusion in tungsten. On the contrary very little is known about
hydrogen interaction with the alloys of these metals, although their mixed
compounds have been experimentally detected in laboratory simulations in the
domain of nuclear fusion. This contribution reports on calculations carried out using
first-principles density functional theory (DFT) on tungsten beryllide crystal
(Be12W) taken as a model of alloy. The formation and reactivity of atomic vacancies
are investigated in the domain of temperature ranging from 0 to 500 K, together
with atomic hydrogen retention and diffusivity in the bulk and in/out vacancies.
The discussion is developed on the consequences of tungsten impurities on
hydrogen retention in pure beryllium according to temperature. Consequences on
hydrogen isotopes diffusion to the pure metallic phase (beryllium or tungsten) are
also derived and clues are proposed about the possible role of H-reservoir the alloy
could play.
資料7
Edge transport barrier: formation, dynamics, and control
G. Fuhr Aix-Marseille Univ., France
Transport barrier at the plasma edge are crucial for reaching a high confinement
regime in fusion devices such as tokamaks. The transport barrier can be understood
as a local reduction of turbulence associated with a growth of pressure and density
gradient. In fusion plasmas, the barrier appears spontaneously during a transition
from low confinement to high confinement (L-H transition), it can also be produced
by externally driving ExB shear flow via edge biasing techniques. It was found that
this barrier is not stable but relaxes quasiperiodically. Such relaxations events are
beneficial as they allow the evacuation of impurities from the plasma core.
The
aim of the talk is to present results obtained by the way of a fluid model of plasma
edge concerning the understanding of the mechanism associated with formation
and dynamic of edge transport barriers.
The barrier dynamic, in particular the
relaxation process has been reproduce numerically with an externally imposed
velocity shear [1] and more recently, with a self-generated shear flow [2]. Theses
relaxations are linked to a time delay in the stabilisation process. Moreover, L-H
transition features are reproduced. In particular, a transport barrier is observed to
form spontaneously above a threshold of input power, due to collisional relaxation of
the equilibrium ExB flow towards force balance. Collisionality has a strong effect on
this mechanism, so that accounting for the self-consistent and precise dependence of
the neoclassical friction on actual plasma temperature is key to the barrier
formation. The last point concern the understanding of the control of edge-localized
modes by externally induced resonant magnetic perturbations (RMPs). Such control
has been demonstrated experimentally, but previous theoretical investigations have
revealed a possible screening of RMPs by a sheared rotation of the plasma. In a
turbulent plasma in the presence of a transport barrier, the RMP harmonic that is
resonant at the barrier center is found to penetrate partially. This partial
penetration is sufficient to trigger a local flattening of the pressure gradient that is
known to be at the origin of the control of transport barrier relaxations in the
present model. [3]
(1) : Fuhr G. et al. 2008 Phys. Rev. Lett. 101, 195001
(2) : Chôné L. et al. 2014 Phys. Plasmas 21, 070702
(3) : A. Monnier et al. 2014 Nucl. Fusion 54 064018

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