Understanding the kinetic ballooning mode (KBM) is crucial for optimizing plasma performance in high-β spherical tokamaks. Global gyrokinetic simulations of KBMs in a projected NSTX-U shot are presented using realistic magnetic geometry and plasma profiles. Linear simulations across varying plasma β values show that the KBM is unstable in NSTX-U at significantly higher plasma β than conventional tokamaks due to the plasma shaping effects. Isotope effects on KBM are more pronounced at higher plasma β but remain relatively weak near the KBM stability threshold. Without flow shear, KBMs are unstable in both the core and pedestal regions. In the core, the investigated toroidal mode numbers in the range are observed to be unstable. In the pedestal, on the other hand, the mode is the most unstable mode due to local β values lower than those in the core. Parameter scans of plasma profile gradients and plasma β demonstrate that the linear KBM in the core exhibits a high sensitivity to β, whereas KBM in the pedestal shows a lower sensitivity. A reduction of β by approximately 15% from the projected value stabilizes KBMs in the core. Nonlinear simulations reveal that self-generated zonal flows play a crucial role in regulating KBM-driven turbulence, reducing the size of turbulent eddies, shortening the radial correlation length by nearly threefold, and decreasing turbulent transport by approximately 35%. These findings provide valuable insights into KBM stability and turbulent transport, offering guidance for optimizing operational scenarios in future experiments.
運動論的バルーニングモード（KBM）の理解は、高ベータ球状トカマクにおけるプラズマ性能の最適化にとって極めて重要である。予測されたNSTX-UショットにおけるKBMの大局的ジャイロ運動論的シミュレーションを、現実的な磁気幾何学とプラズマプロファイルを用いて提示する。様々なプラズマβ値にわたる線形シミュレーションは、プラズマ形状効果により、KBMが従来型トカマクよりも有意に高いプラズマβでNSTX-Uにおいて不安定であることを示す。KBMに対する同位体効果は、より高いプラズマβでより顕著であるが、KBM安定性閾値付近では比較的弱いままである。フローシアがない場合、KBMはコア領域とペデスタル領域の両方で不安定である。コアでは、調査された範囲 内のトロイダルモード数が不安定であることが観察される。一方、ペデスタルでは、コアよりも低い局所β値のため、 モードが最も不安定なモードである。プラズマプロファイル勾配とプラズマβのパラメータ走査は、コアにおける線形KBMがβに対して高い感度を示すのに対し、ペデスタルにおけるKBMはより低い感度を示すことを実証する。予測値からβを約15%低減すると、コアのKBMが安定化される。非線形シミュレーションは、自己生成された帯状流がKBM駆動乱流の制御において重要な役割を果たし、乱流渦のサイズを縮小し、半径方向相関長をほぼ3倍短縮し、乱流輸送を約35%低減することを明らかにする。これらの発見は、KBM安定性と乱流輸送に関する貴重な洞察を提供し、将来の実験における運転シナリオの最適化のための指針を与える。