We report a formation mechanism of macro-scale zonal flow (ZF) in ion-temperature-gradient (ITG) turbulence. Through gyro-kinetic simulations, it is found that the guiding centers of theenergetic particles (EPs) open a new dynamical coupling regime (∼a few EP gyro-radius) between the ITG turbulence and the ZF, so that the ITG turbulence produces a substantial global Reynolds force, which drives the macro-scale ZF. In addition, with the increase in the EP concentration, the ZF driven by a unit of turbulence intensity—the ZF capability—is enhanced correspondingly. A kinetic analysis reveals that the EPs stimulat macro-scale ZF generation through their strong in-phase effect with the ITG velocity fluctuations, which is rooted in the large diamagnetic drift frequency of the EP guiding center. We also carry out numerical experiments and show that in the presence of macro-scale ZF, the intensity of the nonlinearly saturated Alfvén eigenmodes would decrease. Thus, we potentially suggest a direct self-organization process for improving the EP confinement in burning plasma.
イオン温度勾配（ITG）乱流におけるマクロスケールの帯状流（ZF）の形成機構を報告する。ジャイロ運動論的シミュレーションにより、高エネルギー粒子（EP）の案内中心がITG乱流とZFの間に新たな動的結合レジーム（∼数個のEPジャイロ半径）を開き、その結果ITG乱流が実質的な大域レイノルズ力を生成してマクロスケールのZFを駆動することが見出された。さらに、EP濃度の増加に伴い、乱流強度の単位当たりで駆動されるZF、すなわちZF能力が対応して増強される。運動論的解析により、EPはITG速度揺動との強い位相同期効果を通じてマクロスケールのZF生成を促進することが明らかになるが、その効果はEP案内中心の大きな反磁性ドリフト周波数に根ざしている。我々はまた数値実験を行い、マクロスケールのZFが存在する場合、非線形飽和したアルヴェーン固有モードの強度が減少することを示す。したがって、我々は燃焼プラズマにおけるEP閉じ込めを改善するための直接的な自己組織化過程を潜在的に示唆する。