The aim of this paper is to report on recent advances made in global gyrokinetic simulations of ion temperature gradient (ITG) modes and other microinstabilities. The nonlinear development and saturation of ITG modes and the role of E × B zonal flows are studied with a global nonlinear δf formulation that retains parallel nonlinearity and thus allows for a check of the energy conservation property as a means of verifying the quality of the numerical simulation. Due to an optimized loading technique, the conservation property is satisfied with an unprecedented quality well into the nonlinear stage. The zonal component of the perturbation evolves to a quasi-steady state with regions of ITG suppression, strongly reduced radial energy flux and steepened effective temperature profiles alternating with regions of higher ITG mode amplitudes, larger radial energy flux and flattened effective temperature profiles. A semi-Lagrangian approach free of statistical noise is proposed as an alternative to the nonlinear δf formulation. An ASDEX-Upgrade experiment with an internal transport barrier is analysed with a global gyrokinetic code that includes trapped electron dynamics. The weakly destabilizing effect of trapped electron dynamics on ITG modes in an axisymmetric bumpy configuration modelling W7-X is shown in global linear simulations that retain the full electron dynamics. Finite β effects on microinstabilities are investigated with a linear global spectral electromagnetic gyrokinetic formulation. The radial global structure of electromagnetic modes shows a resonant behaviour with rational q values.
本論文の目的は、イオン温度勾配（ITG）モードおよびその他の微視的不安定性の大域的ジャイロ運動論的シミュレーションにおける最近の進展について報告することである。ITGモードの非線形発展と飽和、およびE × B帯状流の役割は、並列非線形性を保持する大域的非線形δf定式化を用いて研究され、それにより数値シミュレーションの品質を検証する手段としてエネルギー保存則のチェックが可能となる。最適化されたローディング手法により、保存則は非線形段階に至るまで前例のない精度で満たされる。擾乱の帯状成分は準定常状態へと発展し、ITG抑制、径方向エネルギー流束の大幅な低減、有効温度勾配の平坦化が生じる領域と、ITGモード振幅が大きく、径方向エネルギー流束が増大し、有効温度勾配が急峻化する領域が交互に現れる。非線形δf定式化の代替として、統計ノイズのない半ラグランジュ手法が提案される。内部輸送障壁を有するASDEX-Upgrade実験が、捕捉電子ダイナミクスを含む大域的ジャイロ運動論的コードを用いて解析される。W7-Xを模擬した軸対称バンピー配位におけるITGモードに対する捕捉電子ダイナミクスの弱い不安定化効果は、完全な電子ダイナミクスを保持する大域的線形シミュレーションによって示される。有限β効果が微視的不安定性に及ぼす影響は、線形大域的スペクトル電磁ジャイロ運動論的定式化を用いて調査される。電磁モードの径方向大域構造は、有理q値において共鳴的挙動を示す。