We address the critical issue for future burning plasmas of whether high-energy fusion products or auxiliary heating-beam ions will be confined for a sufficiently long time to compensate for thermal plasma energy losses. This issue can be mitigated by one of the most deleterious collective phenomena—the instability of low, sub-cyclotron frequency Alfvén eigenmodes (AEs), such as toroidicity-induced AEs and reversed-shear AEs in the ITER steady-state scenario. Using a revised quasi-linear (QL) theory applied to energetic particle (EP) relaxation in the presence of AEs, we find that the AE instabilities can affect both neutral beam ions and alpha particles, although the resulting fast ion transport is expected to be modest if classical particle slowing down is assumed. On the other hand, the QL theory predicts that the AE amplitudes will be enhanced by the background microturbulence, although this topic remains outside our scope due to the significant numerical effort required to evaluate these effects. We report our results for EP relaxation dynamics obtained utilizing several tools: (i) a comprehensive linear stability study of the sub-cyclotron Alfvénic spectrum as computed by ideal magnetohydrodynamic NOVA simulations for the AE eigenproblem, (ii) drift kinetic NOVA-C calculations for wave–particle interaction and AE growth/damping rates, and (iii) predictive QL modeling coupled with the global transport code TRANSP to assess the EP relaxation on the equilibrium timescale.
我々は、将来の燃焼プラズマにおいて、高エネルギー核融合生成物または補助加熱ビームイオンが、熱プラズマのエネルギー損失を補償するのに十分な長い時間閉じ込められるかどうかという重大な問題に取り組む。この問題は、最も有害な集団現象の一つ、すなわちITER定常シナリオにおけるトロイダリティ誘起AEや反転シアAEなどの低いサブサイクロトロン周波数アルヴェン固有モード(AE)の不安定性によって緩和され得る。修正された準線形(QL)理論をAE存在下での高エネルギー粒子(EP)緩和に適用すると、AE不安定性は中性粒子ビームイオンとアルファ粒子の両方に影響を及ぼし得ることが分かるが、結果として生じる高速イオン輸送は、古典的粒子減速を仮定すれば穏やかであると予想される。一方、QL理論は、AE振幅が背景の微視的乱流によって増強されると予測するが、この話題は、これらの効果を評価するためにかなりの数値的労力を要するため、我々の対象外のままである。我々は、以下の複数のツールを用いて得られたEP緩和ダイナミクスの結果を報告する:(i) AE固有問題に対する理想磁気流体力学NOVAシミュレーションによって計算されたサブサイクロトロン・アルヴェン・スぺクトルの包括的線形安定性研究、(ii) 波動–粒子相互作用およびAE成長/減衰率を評価するためのドリフト運動論的NOVA-C計算、(iii) 平衡時間スケールでのEP緩和を評価するための大域的輸送コードTRANSPと結合した予測的QLモデリング。