Energetic-particle driven Alfvén eigenmodes (AEs) and associated redistribution of energetic particles in phase space are investigated using kinetic-magnetohydrodynamic (MHD) hybrid simulations for a tokamak burning plasma with weakly reversed magnetic shear. The initial MHD equilibrium and plasma profile are those of ITER, which was studied in Todo and Bierwage (2014 Plasma Fusion Res.9 3403068). Two types of kinetic-MHD hybrid simulations are performed and the results are compared. In the first type of simulation (KEP-MHD simulation), energetic particles are simulated using the gyrokinetic particle method, while in the second type (KEPTI-MHD simulation), both energetic particles and bulk ions are simulated using the gyrokinetic particle method. In the KEP-MHD simulation result, it is observed that multiple toroidal AEs (TAEs) with toroidal mode number are the most unstable in the linear growth phase, while reversed shear AEs (RSAEs) with low-n dominate in the nonlinear phase. In the KEPTI-MHD simulation result, it is observed that beta-induced AEs with have the largest linear growth rate, while TAEs with dominate in the nonlinear phase. The redistribution of energetic particles is substantial and comparable between the two simulations. Redistribution of energetic alpha particles and beam deuterons in phase space is analyzed for the KEP-MHD simulation. In the early nonlinear phase, local flattening regions are formed around the resonances with the AEs. Staircase-like structures are formed along the lines for the dominant AEs with amplitudes of radial MHD velocity normalized by the Alfvén velocity , where E′ is the conserved quantity of the wave-particle interaction. As the amplitudes of the AEs increase to , the resonance regions broaden and overlap each other leading to the formation of a single flattened region. In the KEP-MHD simulation, it is observed that the steep gradient regions in phase space formed by the multiple TAEs excite the low-n RSAE that transports energetic alpha particles near the plasma center. This process extends the flattened region of energetic alpha particle distribution to the plasma center. The stabilizing effect of thermal ions on AEs is demonstrated by analyzing redistribution in phase space for the KEPTI-MHD simulation.
弱い逆転磁気シアを持つトカマク燃焼プラズマにおける高エネルギー粒子駆動アルヴェン固有モード（AE）と、それに伴う位相空間内の高エネルギー粒子の再分布を、運動論的-磁気流体力学（MHD）ハイブリッドシミュレーションを用いて調べた。初期MHD平衡およびプラズマプロファイルは、Todo and Bierwage (2014 Plasma Fusion Res.9 3403068) で研究されたITERのものである。2種類の運動論的MHDハイブリッドシミミュレーシヨンを行い、結果を比較した。第1のタイプのシミュレーション（KEP-MHDシミュレーション）では、高エネルギー粒子をジャイロ運動論的粒子法を用いてシミュレートする。一方、第2のタイプ（KEPTI-MHDシミュレーション）では、高エネルギー粒子とバルクイオンの両方をジャイロ運動論的粒子法を用いてシミュレートする。KEP-MHDシミュレーションの結果では、線形成長段階においてトロイダルモード数 の複数のトロイダルAE（TAE）が最も不安定であり、非線形段階では低nの逆転磁気シアAE（RSAE）が優勢であることが観測された。KEPTI-MHDシミミュレーシヨョンの結果では、 を持つベータ誘起AEが最大の線形成長率を有し、非線形段階では を持つTAEが優勢であることが観測された。高エネルギー粒子の再分布は顕著であり、2つのシミュレーション間で同程度である。位相空間における高エネルギーのアルファ粒子とビーム重陽子の再分布を、KEP-MHDシミュレーションについて解析した。非線形初期段階では、AEとの共鳴の周囲に局所的な平坦化領域が形成される。アルヴェン速度で規格化された径方向MHD速度の振幅が である卓越AEに対して、 の線に沿って階段状構造が形成される。ここで E′ は波-粒子相互作用の保存量である。AEの振幅が まで増加すると、共鳴領域は広がり互いに重なり合い、単一の平坦化領域の形成につながる。KEP-MHDシミミュレーシヨョンでは、複数のTAEによって形成された位相空間内の急峻な勾配領域が、低nのRSAEを励起し、そのRSAEがプラズマ中心近傍の高エネルギーアルファ粒子を輸送することが観測される。この過程により、高エネルギーアルファ粒子分布の平坦化領域がプラズマ中心まで拡張される。熱イオンがAEに対して及ぼす安定化効果は、KEPTI-MHDシミュレーションの位相空間における再分布を解析することによって実証される。