We investigate the impact of fast ions on turbulent transport in Wendelstein 7-X (W7-X) using the gyrokinetic code GENE, building on earlier findings of fast-ion stabilization of ITG turbulence and focusing on hydrogen minority heating in a Helium-4 plasma, motivated by upcoming ion cyclotron resonance frequency (ICRF) experiments at W7-X. Nonlinear simulations show that moderate fast-ion densities and temperature gradients reduce electron and ion heat fluxes by up to 40%–50%. However, beyond a threshold in fast-ion concentration or gradient strength, the fast-ion heat flux increases sharply and becomes a dominant contribution to the total turbulent transport. Linear simulations reveal that this transition is associated with the emergence of a fast-ion-driven mode, localized in regions of unfavorable magnetic curvature. The mode is driven by fast-ion temperature and density gradients, and arises from a resonance involving both binormal magnetic curvature and parallel advection—the latter being important in W7-X but typically negligible in tokamaks. These results demonstrate that fast-ion effects depend sensitively on their drive: while they can effectively stabilize thermal turbulence, sufficiently strong gradients can trigger fast-ion-dominated transport that limits confinement improvement. The findings provide insight into ICRF heating scenarios in W7-X and fast-ion effects on turbulence in optimized stellarators more generally.
Wendelstein 7-X (W7-X) における高速イオンが乱流輸送に与える影響を、ジャイロ運動論コードGENEを用いて調べた。これは、ITG乱流の高速イオンによる安定化に関する先行研究に基づき、W7-Xでの今後のイオンサイクロトロン共鳴周波数(ICRF)実験を見据えて、ヘリウム4プラズマ中の水素マイノリティ加熱に焦点を当てたものである。非線形シミュレーションにより、中程度の高速イオン密度および温度勾配は、電子およびイオンの熱流束を最大40%～50%低減させることが示される。しかし、高速イオン濃度または勾配の強さがある閾値を超えると、高速イオンの熱流束は急激に増加し、全乱流輸送に対する支配的な寄与となる。線形シミュレーションにより、この遷移は、好ましくない磁気曲率の領域に局在する、高速イオン駆動モードの出現と関連していることが明らかになる。このモードは高速イオンの温度勾配と密度勾配によって駆動され、binormal磁気曲率と平行対流の両方を含む共鳴に起因する——後者はW7-Xでは重要であるが、トカマクでは通常無視できる。これらの結果は、高速イオン効果がその駆動源に敏感に依存することを示している：高速イオンは熱乱流を効果的に安定化できる一方で、十分に強い勾配は高速イオンが支配的な輸送を引き起こし、閉じ込めの改善を制限しうる。これらの知見は、W7-XにおけるICRF加熱シナリオと、より一般的に最適化されたステラレーターにおける乱流への高速イオン効果に関する洞察を提供する。