This paper presents global gyrokinetic simulations on the transport time scale of an ASDEX Upgrade H-mode discharge showing a pronounced peaking of the on-axis ion temperature profiles. Leveraging the newly developed GENE-Tango tool, which combines the global gyrokinetic code GENE with the transport solver Tango, we investigate the impact of energetic particles and electromagnetic effects on the improved plasma performance observed in the experimental discharge. Our results reveal that a striking agreement between the GENE-Tango simulations and the experimental measurements can be achieved only when energetic particles and electromagnetic effects are simultaneously retained in the modeling. In contrast, when these are neglected we observed a significant underestimation of the on-axis ion temperature, aligning with profiles computed using TGLF-ASTRA. The peaking in the ion temperature profile observed in the simulations can be attributed to the effective suppression of turbulence by high-frequency electromagnetic modes, likely Kinetic Ballooning Modes/Alfvén eigenmodes. These modes play a critical role in enhancing zonal flow activity and shearing rate levels which thus lead to a localized increase in the temperature gradient. However, it is crucial to maintain these modes at a state of marginal stability or weak instability to prevent energetic particle turbulence destabilization. Otherwise, the result would be a flattening of all the thermal profiles. Interestingly, we found that global GENE-Tango simulations are required to model correctly the linear dynamics of these high-frequency modes. Additionally, global simulations demonstrate greater tolerance than flux-tube simulations for marginal instability of these high frequency modes while maintaining power balance agreement.
本論文は、ASDEX Upgrade Hモード放電の輸送時間スケールでの大局的ジャイロ運動論シミュレーションを示し、軸上イオン温度分布の顕著なピーキングを示す。新たに開発されたGENE-Tangoツールを活用し、これは大局的ジャイロ運動論コードGENEと輸送ソルバーTangoを組み合わせたものであるが、実験放電で観測された改善されたプラズマ性能に対する高エネルギー粒子と電磁効果の影響を調査する。我々の結果は、GENE-Tangoシミュレーションと実験測定値との間の顕著な一致は、高エネルギー粒子と電磁効果がモデリングにおいて同時に保持された場合にのみ達成され得ることを明らかにする。対照的に、これらを無視した場合、TGLF-ASTRAを用いて計算された分布と一致する、軸上イオン温度の有意な過小評価が観測された。シミュレーションで観測されたイオン温度分布のピーキングは、高周波電磁モード、おそらく運動論的バルーニングモード/アルヴェン固有モードによる乱流の効果的な抑制に起因し得る。これらのモードは、帯状流活動とせん断速度レベルを強化する上で重要な役割を果たし、それによって温度勾配の局所的な増加をもたらす。しかしながら、高エネルギー粒子乱流不安定化を防ぐために、これらのモードを臨界安定性または弱い不安定性の状態に維持することが極めて重要である。そうでなければ、結果は全ての熱分布の平坦化となるであろう。興味深いことに、これらの高周波モードの線形力学を正しくモデル化するには、大局的GENE-Tangoシミュレーションが必要であることが分かった。さらに、大局的シミュレーションは、パワーバランスの一致を維持しながら、これらの高周波モードの弱い不安定性に対して、フラックスチューブシミュレーションよりも大きな耐性を示す。