Comprehensive gyrokinetic simulations have been performed utilizing the numerical Lie transform code to investigate the dynamics of ion internal transport barrier (ITB) in the HL-2A tokamak, with a focus on the interaction between drift wave turbulence and zonal flow (ZF). The simulations reveal a self-regulatory cycle responsible for ITB sustainment, in which ion temperature gradient turbulence drives ZF that in turn suppresses the turbulence. Within this cycle, a key finding is that the ZF is primarily driven by the turbulent ion energy flux, rather than the poloidal Reynolds stress (PRS) as held in the classical predator–prey model. This result provides a self-consistent explanation for the experimentally observed weak effect of turbulent PRS on radial electric field in HL-2A and validates the ZF drive theory proposed by Wang et al in 2017. Furthermore, the ITB collapse is attributed to the transition to strong trapped electron mode (TEM) turbulence triggered by electron cyclotron resonance heating, as the short wavelength TEM turbulence is inefficient at driving ZF to suppress transport. Finally, we demonstrate that ITB recovery can be achieved by enhancing core ion heating, which simultaneously reduces the linear drive of instabilities and strengthens the nonlinear ZF shear. These findings offer a comprehensive physical picture of the ITB lifecycle and provide valuable insights for ITB control in fusion plasmas.
HL-2Aトカマクにおけるイオン内部輸送障壁(ITB)のダイナミクスを調査するために、数値リー変換コードを用いた包括的ジャイロ運動論シミュレーションを実施し、ドリフト波乱流と帯状流(ZF)の相互作用に焦点を当てた。シミュレーションにより、ITBの維持に関与する自己制御サイクルが明らかになった。このサイクルでは、イオン温度勾配乱流がZFを駆動し、そのZFが乱流を抑制する。このサイクルにおいて重要な発見は、ZFが古典的な捕食者–被捕食者モデルで主張されているポロイダル・レイノルズ応力(PRS)ではなく、主に乱流イオンエネルギー流束によって駆動されるということである。この結果は、HL-2Aにおいて乱流PRSが径電場に与える影響が弱いという実験的観測に対して自己無撞着な説明を与え、2017年にWangらによって提案されたZF駆動理論を検証するものである。さらに、ITBの崩壊は、電子サイクロトロン共鳴加熱によって引き起こされる強い捕捉電子モード(TEM)乱流への遷移に起因する。これは、短波長のTEM乱流が輸送を抑制するZFの駆動に非効率であるためである。最後に、コアイオン加熱を強化することでITBの回復が達成可能であることを示す。これにより、不安定性の線形駆動が低減されると同時に、非線形ZFシアが強化される。これらの知見は、ITBライフサイクルの包括的な物理像を提供し、核融合プラズマにおけるITB制御に貴重な洞察を与える。