The turbulent transport properties and dynamics of zonal flows (ZFs) in the presence of fast ions (FIs) are investigated for a typical internal transport barrier (ITB) plasma based on the gyrokinetic approach, focusing on the role of FI temperature and the effects of the toroidal rotation, including the E× B rotational shear, parallel velocity gradient (PVG) as well as the rotation velocity itself. Linear GENE simulations have shown that the core ITB plasma on HL-2A is dominated by ion temperature gradient (ITG) modes and trapped electron modes (TEMs), where the former is stabilized by FIs whereas destabilized by the PVG. Neither of the FIs or the PVG has observable effect on TEMs. The ion heat transport generally decreases at large FI temperature due to the nonlinear electromagnetic stabilization of turbulence with increased total plasma β until electromagnetic modes are excited. The transport fluxes peak around a certain FI temperature and the ZF shearing rate is significantly higher at such value compared with that in the absence of FIs, and the heat flux reduction is a result of the synergistic interaction between turbulence, ZFs and the external rotational shear. The E× B shear stabilizing and PVG destabilizing is not obvious at low normalized ITG R/LTi, indicating they are less important in determining the stiffness level in the relatively low density and rotation scenarios regarding the HL-2A ITB discharges. The turbulence suppression is predominated by the nonlinear stabilization of ITG turbulence as well as enhanced ZFs simultaneously in the presence of FIs. These results have also provided the possible way to reduce the turbulence transport through increasing the FI temperature in the off-axis neutral beam heated plasmas such as in HL-2A.
高速イオン(FI)存在下での乱流輸送特性と帯状流(ZF)のダイナミクスを、典型的な内部輸送障壁(ITB)プラズマに対してジャイロ運動論的アプローチに基づいて調べた。特に、FI温度の役割と、E×B回転シ、平行速度勾配(PVG)および回転速度自体を含むトロイダル回転の効果に焦点を当てた。線形GENEシミュレーションにより、HL-2Aの中心ITBプラズマはイオン温度勾配(ITG)モードと捕捉電子モード(TEM)によって支配されることが示され、前者はFIにより安定化される一方、PVGにより不安定化される。FIとPVGのいずれもTEMに対して観測可能な効果を持たない。イオン熱輸送は、電磁モードが励起されるまでは、全プラズマβの増加を伴う乱流の非線形電磁安定化により、大きなFI温度において一般に減少する。輸送フラックスはあるFI温度付近でピークに達し、そのような値でのZFシア率はFIが存在しない場合のそれと比較して有意に高い。そして、熱流束の低減は、乱流、ZF、外部回転シアの間の相乗的相互作用の結果である。E×Bシアの安定化効果とPVGの不安定化効果は、低い規格化ITG R/LTiでは明確ではなく、HL-2AのITB放電に関する比較的低密度・低回転シナリオにおいて、それらが剛性度を決定する上での重要性が低いことを示している。乱流抑制は、FI存在下でのITG乱流の非線形安定化と同時に強化されたZFによって主にもたらされる。これらの結果はまた、HL-2Aのようなオフアクシス中性粒子ビーム加熱プラズマにおいて、FI温度を上昇させることで乱流輸送を低減する可能な方法を提供する。