Energetic particles are inherent to toroidal fusion systems and can drive instabilities in the Alfvén frequency range, leading to decreased heating efficiency, high heat fluxes on plasma-facing components, and decreased ignition margin. The applicability of global gyrokinetic simulation methods to macroscopic instabilities has now been demonstrated and it is natural to extend these methods to 3D configurations such as stellarators, tokamaks with 3D coils and reversed field pinch helical states. This has been achieved by coupling the GTC global gyrokinetic PIC model to the VMEC equilibrium model, including 3D effects in the field solvers and particle push. This paper demonstrates the application of this new capability to the linearized analysis of Alfvénic instabilities in the LHD stellarator. For normal shear iota profiles, toroidal Alfvén instabilities in the n = 1 and 2 toroidal mode families are unstable with frequencies in the 75 to 110 kHz range. Also, an LHD case with non-monotonic shear is considered, indicating reductions in growth rate for the same energetic particle drive. Since 3D magnetic fields will be present to some extent in all fusion devices, the extension of gyrokinetic models to 3D configurations is an important step for the simulation of future fusion systems.
高エネルギー粒子はトロイダル核融合システムに内在するものであり、アルヴェン周波数帯の不安定性を駆動し得る。これにより、加熱効率の低下、プラズマ対向機器への高熱流束、および点火余裕の減少が引き起こされる。巨視的不安定性に対するジャイロ運動論的シミュレーション手法の適用可能性は現在実証されており、これらの手法をステラレーター、3Dコイルを有するトカマク、および逆磁場ピンチのヘリカル状態などの3次元配位へ拡張することは自然な流れである。これは、GTCジャイロ運動論的PICモデルをVMEC平衡モデルと結合し、場のソルバーおよび粒子追跡に3次元効果を含めることによって達成された。本論文では、LHDステラレーターにおけるアルヴェン不安定性の線形解析へのこの新たな機能の適用を実証する。通常のイオタプロファイルに対しては、n = 1および2のトロイダルモード族におけるトロイダルアルヴェン不安定性が、75〜110 kHzの周波数範囲で不安定となる。また、非単調シアを有するLHDのケースも検討され、同じ高エネルギー粒子駆動に対して成長率の低下が示される。3次元磁場はすべての核融合装置にある程度存在するため、ジャイロ運動論的モデルの3次元配位への拡張は、将来の核融合システムのシミュレーションにとって重要なステップである。