This study performs a numerical investigation into the effects of fast ions and impurities in the core region of deuterium–tritium (DT) plasma in the China Fusion Engineering Test Reactor hybrid scenario using the gyrokinetic code NLT. The linear simulations primarily focus on the particle fractions and the density gradients of fast ions and impurities on the linear frequencies of instabilities. The results reveal that tungsten impurities play a negligible impact on the linear frequencies of ion temperature gradient (ITG) instability and trapped electron mode (TEM), whereas argon impurities significantly suppress both ITG and TEM. Fast ions further stabilize ITG instability but destabilize TEM. Electromagnetic effects exhibit a stabilizing influence on both ITG and TEM. Nonlinear simulations demonstrate that the presence of argon impurities and fast ions significantly reduce the ion heat diffusivity, owing to the dilution effects of fast ions and argon impurities. The analysis on the poloidal spectra of perturbed electrostatic potential and DT total energy flux at the saturated stage reveal that ITG instability contributes dominantly to the turbulent transport. The DT total energy flux significantly decreases with a larger positive density gradient of fast ions/impurities. Furthermore, it is revealed that the fast ions suppress the turbulent transport through its dilution effects, while for argon impurities, in addition to the dilution effects, the density gradient effects also play a crucial role, especially under a larger positive density gradient. Moreover, as the density gradient of fast ions/impurities increases, the inward transport of deuterium and tritium particle fluxes are enhanced, and the accumulation of impurities in the core region significantly improves.
本研究は、ジャイロ運動論コードNLTを用いて、中国核融合工学試験炉ハイブリッドシナリオにおける重水素–トリチウム（DT）プラズマのコア領域での高速イオンと不純物の影響に関する数値調査を実施する。線形シミュレーションは主に、高速イオンと不純物の粒子分率および密度勾配が不安定性の線形周波数に及ぼす影響に焦点を当てる。結果は、タングステン不純物はイオン温度勾配（ITG）不安定性および捕捉電子モード（TEM）の線形周波数に無視できる影響を与える一方、アルゴン不純物はITGとTEMの両方を有意に抑制することを明らかにする。高速イオンはさらにITG不安定性を安定化するが、TEMを不安定化する。電磁効果はITGとTEMの両方に対して安定化影響を示す。非線形シミュレーションは、アルゴン不純物と高速イオンの存在が、高速イオンとアルゴン不純物の希釈効果により、イオン熱拡散係数を有意に低減することを実証する。飽和段階における摂動静電ポテンシャルとDT全エネルギー束のポロイダルスペクトルの解析は、ITG不安定性が乱流輸送に支配的に寄与することを明らかにする。DT全エネルギー束は、高速イオン/不純物の正の密度勾配が大きくなると有意に減少する。さらに、高速イオンはその希釈効果を通じて乱流輸送を抑制する一方、アルゴン不純物については、希釈効果に加えて、密度勾配効果も特に大きな正の密度勾配のもとで重要な役割を果たすことが明らかにされる。さらに、高速イオン/不純物の密度勾配が増加するにつれて、重水素およびトリチウム粒子束の内向き輸送が強化され、コア領域への不純物の蓄積が有意に促進される。