In this work, we present the first global gyrokinetic simulations of the ITER baseline scenario at 15 MA, performed using the GENE-Tango framework in both electrostatic and electromagnetic regimes. Tango self-consistently evolves the plasma profiles of each species using the turbulent fluxes computed by GENE for each profiles. The fusion power is self-consistently evolved, while the interplay of alpha particles with turbulence left for future work. Our results show a pronounced density peaking, moderated by electromagnetic fluctuations. The predicted fusion gain for this scenario is Q = 12.2, aligning well with ITER’s mission objectives. We further characterize the turbulence spectra and find that electromagnetic modes, such as microtearing modes, kinetic ballooning modes (KBMs) and Alfvénic ion temperature gradient modes at low bi-normal wave numbers, play a critical role in the core transport of this ITER scenario, necessitating high numerical resolution for accurate modeling. Local flux-tube simulations qualitatively reproduce the key features observed in the global gyrokinetic simulations but exhibit a much higher sensitivity to profile gradients—reflecting increased stiffness, likely due to the linearization of the equilibrium profiles and safety factor, which influence the drive of these electromagnetic modes. Our study also reveals that the imposed external toroidal rotation profiles have a negligible impact on turbulent transport, as their magnitudes are substantially lower than the dominant linear growth rates. Furthermore, we demonstrate that the safety factor profile is of paramount importance: scenarios featuring flat q profiles with near-zero magnetic shear lead to the destabilization of KBMs in the plasma core, significantly enhancing turbulent transport and potentially degrading confinement. Finally, although electron temperature gradient turbulence initially appears large, sometimes exceeding ion-scale transport levels, it is quenched over long timescales by secular evolution of zonal flows, which are weakly damped under the very low collisionality conditions expected in ITER.
本研究では、GENE-Tango フレームワークを用いて、静電的および電磁的領域の両方において、15 MA の ITER ベースラインシナリオの最初の大域的ジャイロ運動論シミュレーションを提示する。Tango は、GENE が各プロファイルに対して計算する乱流フラックスを用いて、各粒子種のプラズマプロファイルを自己無撞着に発展させる。核融合出力は自己無撞着に発展させ、一方、アルファ粒子と乱流の相互作用は将来の研究課題として残される。我々の結果は、電磁的揺らぎによって緩和される顕著な密度ピーキングを示す。このシナリオの予測核融合増倍率は Q = 12.2 であり、ITER の使命目標とよく一致している。さらに、我々は乱流スペクトルを特徴付け、マイクロティアリングモード、運動論的バルーニングモード (KBMs)、および低いバイノーマル波数におけるアルフヴェン的イオン温度勾配モードなどの電磁モードが、この ITER シナリオのコア輸送において決定的な役割を果たし、正確なモデリングには高い数値分解能が必要であることを見いだす。局所フラックスチューブシミュレーションは、大域的ジャイロ運動論シミュレーションで観察される主要な特徴を定性的に再現するが、プロファイル勾配に対してはるかに高い感度を示す。これは、おそらく平衡プロファイルと安全係数の線形化に起因するスティフネスの増大を反映しており、それらがこれらの電磁モードの駆動に影響を与える。我々の研究はまた、課された外部トロイダル回転プロファイルは、その大きさが支配的な線形成長率よりもかなり小さいため、乱流輸送に無視できる影響しか及ぼさないことを明らかにする。さらに、安全係数プロファイルが極めて重要であることを実証する。磁気シアがほぼゼロの平坦な q プロファイルを特徴とするシナリオは、プラズマコアにおける KBM の不安定化を引き起こし、乱流輸送を著しく増強し、閉じ込めを劣化させる可能性がある。最後に、電子温度勾配乱流は初期には大きく見え、イオンスケールの輸送レベルを超えることもあるが、ITER で予想される非常に低い衝突度条件下では弱く減衰する帯状流の永年発展によって長時間スケールで抑制される。