In this work, we present first-of-their-kind nonlinear local gyrokinetic (GK) simulations of electromagnetic turbulence at mid-radius in the burning plasma phase of the conceptual high-β, reactor-scale, tight-aspect-ratio tokamak Spherical Tokamak for Energy Production (STEP). A prior linear analysis in Kennedy et al (2023 Nucl. Fusion63 126061) reveals the presence of unstable hybrid kinetic ballooning modes (KBMs), where inclusion of the compressional magnetic field fluctuation, , is crucial, and subdominant microtearing modes (MTMs) are found at binormal scales approaching the ion-Larmor radius. Local nonlinear GK simulations on the selected surface in the central core region suggest that hybrid KBMs can drive large turbulent transport, and that there is negligible turbulent transport from subdominant MTMs when hybrid KBMs are artificially suppressed (through the omission of ). Nonlinear simulations that include perpendicular equilibrium flow shear can saturate at lower fluxes that are more consistent with the available sources in STEP. This analysis suggests that hybrid KBMs could play an important role in setting the turbulent transport in STEP, and possible mechanisms to mitigate turbulent transport are discussed. Increasing the safety factor or the pressure gradient strongly reduces turbulent transport from hybrid KBMs in the cases considered here. Challenges of simulating electromagnetic turbulence in this high-β regime are highlighted. In particular the observation of radially extended turbulent structures in the absence of equilibrium flow shear motivates future advanced global GK simulations that include .
本論文では、概念上の高β、炉規模、低アスペクト比トカマクであるエネルギー生産用球形トカマク（STEP）の燃焼プラズマ段階における中間半径での電磁気乱流の、初の非線形局所ジャイロ運動論（GK）シミュレーションを提示する。Kennedyら（2023 Nucl. Fusion 63 126061）による先行線形解析は、圧縮性磁場揺動の包含が決定的である不安定なハイブリッド運動論的バルーニングモード（KBMs）の存在と、イオン・ラーモア半径に近づくバイノーマルスケールでの副次的なマイクロテイアリングモード（MTMs）を明らかにしている。中心コア領域の選択した磁気面上での局所非線形GKシミュレーションは、ハイブリッドKBMsが大きな乱流輸送を駆動し得ること、そしてハイブリッドKBMsを人為的に抑制した場合（圧縮性磁場揺動の省略による）には、副次的なMTMsからの乱流輸送は無視できることを示唆している。垂直平衡流シアを含む非線形シミュレーションは、STEPにおいて利用可能なソースとより整合的な、より低いフラックスで飽和し得る。この解析は、ハイブリッドKBMsがSTEPにおける乱流輸送を決定する上で重要な役割を果たし得ることを示唆しており、乱流輸送を緩和する可能なメカニズムについて議論される。ここで考察した場合には、安全係数または圧力勾配を増加させると、ハイブリッドKBMsからの乱流輸送は大幅に減少する。この高β領域における電磁気乱流シミュレーションの課題が強調される。特に、平衡流シアがない場合の径方向に延びた乱流構造の観測は、圧縮性磁場揺動を含む将来の高度なグローバルGKシミュレーションを動機づける。