Sawtooth oscillations, driven by internal kink modes, are fundamental phenomena in tokamak plasmas. They can be classified into different types, including normal sawteeth, small sawteeth, and in some cases, evolving into the steady-island state, each having a different impact on energy confinement in fusion reactors. This study investigates the interaction between sawtooth oscillations and energetic particles (EPs) using the initial-value magnetohydrodynamic-kinetic hybrid code CLT-K, which can perform long-term self-consistent nonlinear simulations. We analyze the redistribution of EPs caused by sawtooth crashes and the effect of EPs on sawtooth behavior and type transitions. The results show that co-passing EPs tend to re-excite sawtooth oscillations, extending their period, while counter-passing EPs promote the system evolution toward small sawteeth, potentially leading to the steady-island state. Additionally, we provide a physical picture of how EPs influence sawtooth type through the mechanism of magnetic flux pumping. We demonstrate that the radial residual flow in the core plays a crucial role in determining the reconnection rate and sawtooth type. Quantitatively, the residual flow generates a convective dynamo electromotive force that prevents the accumulation of central current density and poloidal magnetic flux, thereby favoring the formation of small sawteeth or a steady state. Moreover, we observe new phenomena about couplings of various instabilities, such as the excitation of global multi-mode toroidal Alfvén eigenmodes due to EP redistribution following a sawtooth crash and the excitation of the resonant tearing mode after the core enters a sawtooth-free steady state when injecting counter-passing EPs. The study also explores the impact of EP energy and the safety factor profile on the development of stochastic magnetic fields and EP transport. These findings emphasize the necessity of multi-mode simulations in capturing the complexity of EP-sawtooth interactions and provide insights for optimizing sawtooth control in future reactors such as ITER.
鋸歯状振動は、内部キンクモードによって駆動され、トカマクプラズマにおける基本現象である。これらは、通常の鋸歯状振動、小鋸歯状振動、そして場合によっては定常アイランド状態への発展を含む異なるタイプに分類でき、それぞれが核融合炉におけるエネルギー閉じ込めに異なる影響を及ぼす。本研究では、初期値型MHD-運動論的ハイブリッドコードCLT-Kを用いて、鋸歯状振動と高エネルギー粒子（EP）の相互作用を調査する。このコードは、長期的な自己無撞着非線形シミュレーションを実行できる。我々は、鋸歯状クラッシュによって引き起こされるEPの再分布と、鋸歯状振動の挙動およびタイプ遷移に対するEPの効果を分析する。結果は、共通過EPが鋸歯状振動を再励起してその周期を延長する傾向がある一方、カウンター通過EPは系を小鋸歯状振動へと進展させ、定常アイランド状態に至る可能性があることを示す。さらに、磁束ポンピングのメカニズムを通じてEPが鋸歯状タイプに影響を与える物理的描像を提供する。コア内の径方向残留流が、再結合率と鋸歯状タイプを決定する上で重要な役割を果たすことを実証する。定量的には、残留流は対流ダイナモ起電力を生成し、中心電流密度とポロイダル磁束の蓄積を防ぐことで、小鋸歯状振動または定常状態の形成を促進する。さらに、鋸歯状クラッシュ後のEP再分布による大域的マルチモード・トロイダル・アルフヴェン固有モードの励起や、カウンター通過EPを入射した際にコアが鋸歯状振動のない定常状態に入った後の共鳴ティアリングモードの励起など、様々な不安定性の結合に関する新しい現象を観測する。本研究はまた、確率磁場の発生とEP輸送に対するEPエネルギーと安全係数分布の影響も調査する。これらの知見は、EP-鋸歯状振動相互作用の複雑さを捉える際のマルチモードシミュレーションの必要性を強調し、ITERのような将来の炉における鋸歯状振動制御の最適化への洞察を提供する。