The linear and nonlinear effects of hydrogen isotope species on ion temperature gradient (ITG) instability in the Large Helical Device (LHD) stellarator are studied using radially global gyrokinetic simulation. We found that the coupling range of linear toroidal harmonics depends on the ion mass of the hydrogen isotope. The growth rates of ITG mode are almost the same for H, D, and T plasmas, indicating a gyro-Bohm scaling of ion-mass dependence. The nonlinear electrostatic simulations show that the zonal flow breaks the radially elongated eigenmode structures and reduces the size of the turbulence eddies, which suppresses the turbulence and the ion heat transport in the LHD. The turbulence amplitude without the zonal flow is almost the same for H, D, and T plasmas, while it decreases with increasing ion mass of the hydrogen isotope when the zonal flow is present. The reduction of the turbulent transport with larger ion mass is mostly due to the enhancement of zonal flows by larger ion mass. The ion heat conductivity deviates from the gyro-Bohm scaling for both cases with and without the zonal flow.
水素同位体種が大型ヘリカル装置(LHD)ステラレータにおけるイオン温度勾配(ITG)不安定性に及ぼす線形および非線形効果を、径方向グローバルジャイロ運動論シミュレーションを用いて調べた。線形トロイダル高調波の結合範囲が水素同位体のイオン質量に依存することを見出した。ITGモードの成長率はH、D、Tプラズマでほぼ同じであり、イオン質量依存性のジャイロボーム・スケーリングを示している。非線形静電シミュレーションは、帯状流が径方向に伸長した固有モード構造を破壊し、乱流渦のサイズを小さくすることにより、LHDにおける乱流とイオン熱輸送を抑制することを示す。帯状流がない場合の乱流振幅はH、D、Tプラズマでほぼ同じであるが、帯状流が存在する場合には水素同位体のイオン質量の増加とともに減少する。より大きなイオン質量による乱流輸送の低減は、主としてより大きなイオン質量による帯状流の強化に起因する。イオン熱伝導度は、帯状流がある場合とない場合の両方でジャイロボーム・スケーリングからずれる。