Further investigation of fast ion effects on turbulence and transport in the fast ion regulated enhancement (FIRE) mode discharge (Han et al 2022 Nature609 269–275) was performed in this work as a continuation of a previous study (Kim et al 2023 Nucl. Fusion63 124001) that showed that the dominant turbulence suppression mechanism by fast ions is the dilution effect in the FIRE mode discharge. The current study includes (i) the impact of the fast ion relevant mode observed in the simulation of thermal energy flux, (ii) dilution effects by fast ions compared to dilution effects by other species, and (iii) fast ion effects on electron-scale turbulence. First, nonlinear gyrokinetic simulation results show that turbulence is significantly suppressed even without the fast ion relevant mode, indicating that the impact of this mode on thermal transport is not significant in this discharge. Second, further analysis on the dilution effects shows the three following results: Turbulence is not completely suppressed by the reduced main ion density fraction effect due to impurities; the reduction in energy flux can be limited by a certain impurity mode that is destabilized by a high impurity density gradient from adjusting the main ion density gradient; electrons can contribute to turbulence suppression through the main ion density gradient change, although this effect is less significant compared to other species. Third, we observe that two fast ion effects can influence the linear growth rate of the electron-scale turbulence mode. The growth rate decreases by an increase in and increases by dilution effects, suggesting that fast ion effects on electron-scale turbulence can differ depending on the operation scenario, such as the fast ion fraction. The comprehensive analysis performed in this study can enhance our understanding of fast ion physics, required for burning plasma operation in the future.
本作業では、先行研究（Kim et al 2023 Nucl. Fusion63 124001）の続きとして、高速イオン制御増進（FIRE）モード放電（Han et al 2022 Nature609 269–275）における乱流と輸送に対する高速イオン効果のさらなる調査を実施した。先行研究では、FIREモード放電において高速イオンによる乱流抑制の支配的機構が希釈効果であることが示された。本研究には、(i) 熱エネルギー束のシミュレーションで観測された高速イオン関連モードの影響、(ii) 他の粒子種による希釈効果と比較した高速イオンによる希釈効果、(iii) 電子スケール乱流に対する高速イオン効果、が含まれる。第一に、非線形ジャイロ運動論的シミュレーション結果は、高速イオン関連モードが存在しなくても乱流が有意に抑制されることを示しており、このモードが熱輸送に及ぼす影響が本放電では重要ではないことを示している。第二に、希釈効果に関するさらなる解析は以下の3つの結果を示す。乱流は、不純物による主イオン密度割合の低下効果によって完全には抑制されない。エネルギー束の低減は、主イオン密度勾配を調整することによって生じる高い不純物密度勾配により不安定化される特定の不純物モードによって制限され得る。電子は、主イオン密度勾配の変化を通じて乱流抑制に寄与できるが、この効果は他の粒子種と比較してそれほど重要ではない。第三に、我々は、2つの高速イオン効果が電子スケール乱流モードの線形成長率に影響し得ることを観察する。成長率は、増加によって減少し、希釈効果によって増加する。これは、高速イオン効果が電子スケール乱流に及ぼす影響が、高速イオン割合などの運転シナリオに依存して異なり得ることを示唆している。本研究で実施した包括的解析は、将来の燃焼プラズマ運転に必要な高速イオン物理の理解を深めることができる。