The recent progress in high-temperature superconductor technologies has led to the design and construction of SPARC, a compact tokamak device expected to reach plasma breakeven with up to 25 MW of external ion cyclotron resonant heating (ICRH) power. This manuscript presents local (flux-tube) and radially global gyrokinetic GENE (Jenko et al 2000 Phys. Plasmas7 1904) simulations for a reduced-field and current H-mode SPARC scenario showing that supra-thermal particles—generated via ICRH—strongly suppress ion-scale turbulent transport by triggering a fast ion-induced anomalous transport barrier. The trigger mechanism is identified as a wave-particle resonant interaction between the fast particle population and plasma micro-instabilities (Di Siena et al 2021 Phys. Rev. Lett.125 025002). By performing a series of global simulations employing different profiles for the thermal ions, we show that the fusion gain of this SPARC scenario could be substantially enhanced by up to ∼80% by exploiting this fast ion stabilizing mechanism. A study is also presented to further optimize the energetic particle profiles, thus possibly leading experimentally to an even more significant fusion gain.
高温超伝導技術の最近の進歩により、最大25 MWの外部イオンサイクロトロン共鳴加熱（ICRH）電力を用いてプラズマ・ブレークイーブンに達すると期待されるコンパクトなトカマク装置SPARCの設計と建設が進められてきた。本稿では、磁場と電流を低減したHモードSPARCシナリオに対する局所（フラックスチューブ）および動径方向にグローバルなジャイロ運動論的GENE（Jenko et al 2000 Phys. Plasmas7 1904）シミュレーションを提示し、ICRHを介して生成された超熱的粒子が、高速イオン誘起の異常輸送障壁を誘発することにより、イオンスケールの乱流輸送を強く抑制することを示す。そのトリガー機構は、高速粒子集団とプラズマ微視的不安定性との間の波-粒子共鳴相互作用であると同定される（Di Siena et al 2021 Phys. Rev. Lett.125 025002）。熱イオンに対して異なるプロファイルを用いた一連のグローバルシミュレーションを実行することにより、この高速イオン安定化メカニズムを利用することで、このSPARCシナリオの核融合利得が最大∼80%大幅に向上し得ることを示す。さらに、高エネルギー粒子プロファイルを最適化するための研究も提示されており、これにより実験的にはさらに顕著な核融合利得が得られる可能性がある。