Gyrokinetic and kinetic-MHD simulations are performed for the fishbone instability in the DIII-D discharge #178631, chosen for validation of first-principles simulations to predict the energetic particle (EP) transport in an ITER pre-fusion baseline scenario. Fishbone modes are found to generate zonal flows, which dominate the fishbone saturation. The underlying mechanisms of the two-way fishbone-zonal flows nonlinear interplay are discussed in details. Numerical and analytical analyses identify the fishbone-induced EP redistribution as the dominant generation mechanism for zonal flows. The zonal flows modify the nonlinear dynamics of phase space zonal structures, which reduces the amount of EPs able to resonate with the mode, leading to a lower saturation amplitude. Simulation results including zonal flows agree quantitatively with DIII-D experimental measurements of the fishbone saturation amplitude and EP transport, supporting this novel saturation mechanism by self-generated zonal flows. Moreover, the wave-particle mode-locking mechanism is shown to determine quantitatively the fishbone frequency down-chirping, as evident in GTC simulation results in agreement with predictions from analytical theory. Finally, the fishbone-induced zonal flows are possibly responsible for the formation of an ion internal transport barrier (ITB) in the DIII-D discharge. Based on the low EP transport and the large zonal flow shearing rates associated with the fishbone instability in gyrokinetic simulations of the ITER scenario, it is conjectured that high performance scenarios could be designed in ITER burning plasmas through fishbone-induced ITBs.
ジャイロ運動論的および運動論的MHDシミュレーションを、ITER前期融合ベースラインシナリオにおける高エネルギー粒子（EP）輸送を予測するための第一原理シミュレーションの検証用に選ばれたDIII-D放電 #178631 におけるフィッシュボーン不安定性に対して実施した。フィッシュボーンモードは帯状流を生成し、それがフィッシュボーンの飽和を支配することが見いだされた。フィッシュボーンと帯状流の双方向の非線形相互作用の根底にあるメカニズムについて詳細に議論する。数値解析および解析的解析により、フィッシュボーン誘起のEP再分布が帯状流の支配的な生成メカニズムであることが特定される。帯状流は位相空間帯状構造の非線形動力学を修飾し、モードと共鳴できるEPの量を減少させ、より低い飽和振幅をもたらす。帯状流を含むシミュレーション結果は、フィッシュボーン飽和振幅およびEP輸送のDIII-D実験測定値と定量的に一致し、自己生成帯状流によるこの新規な飽和メカニズムを支持する。さらに、波-粒子モードロッキング機構が、解析理論からの予測と一致するGTCシミュレーション結果で明らかなように、フィッシュボーン周波数のダウンチャープを定量的に決定することが示される。最後に、フィッシュボーン誘起帯状流は、DIII-D放電におけるイオン内部輸送障壁（ITB）の形成に関与している可能性がある。ITERシナリオのジャイロ運動論シミュレーションにおけるフィッシュボーン不安定性に関連する低いEP輸送と大きな帯状流シア率に基づき、フィッシュボーン誘起ITBを通じてITER燃焼プラズマにおいて高性能シナリオが設計できる可能性が推測される。