The effect of energetic-ions on magnetohydrodynamic instabilities is pivotal in the basic physics that will be vital in burning plasma experiments. Recently, it has been found in the HL-2A tokamak that an m/n = 2/1 unstable tearing mode (TM) interacts with energetic-ions, resulting in amplitude-bursting and frequency-chirping fishbone-like activities, and it is numerically identified that the co-passing energetic-ions play a dominant role in the wave-particle resonances (Chen et al 2019 Nucl. Fusion59 096037). Motivated by fully and deeply understanding such a resonant interaction between energetic-ions and TM, a more detailed study of global nonlinear hybrid kinetic-MHD simulations with M3D-K code is performed in the present work. The kinetic effect of co-passing energetic-ions from non-adiabatic response is interestingly found to be strongly destabilizing, while the net effect with both adiabatic and non-adiabatic contributions is weakly destabilizing. For passing energetic-ions, the m/n = 2/1 TM is found to be most unstable in the case of , where q0 is the central safety factor. Effects of energetic-ion beta and pinch angle determining different energetic-ion fractions on the resonance features, such as the growth rate, frequency chirping and mode structure, are discussed in detail. The relevant simulation results are consistent with the observations on HL-2A. Furthermore, the effects of both counter-passing and trapped energetic-ions on the TM have also been explored, but the corresponding resonance phase space is found to be very narrow in the plane. In addition, the redistribution and loss induced by the resonant interaction between TM and energetic-ions are analyzed in multiple-mode simulations. Significant redistribution and loss are clearly observed, and the scaling of energetic-ion loss fraction with the fluctuation amplitude is found to be , indicating that the loss is convective. These discoveries are conducive to understanding the mechanisms of TM-induced energetic-ion loss through the resonant interaction.
磁気流体力学的不安定性に対する高エネルギーイオンの効果は、燃焼プラズマ実験において極めて重要となる基礎物理において決定的である。最近、HL-2Aトカマクにおいて、m/n = 2/1 の不安定ティアリングモード(TM)が高エネルギーイオンと相互作用し、その結果として振幅バーストおよび周波数チャープを伴うフィッシュボーン様活動が生じることが見出された。また、同方向通過高エネルギーイオンが波-粒子共鳴において支配的な役割を果たすことが数値的に特定された(Chen et al 2019 Nucl. Fusion59 096037)。このような高エネルギーイオンとTMの間の共鳴相互作用を完全かつ深く理解することを目的として、本稿ではM3D-Kコードを用いた大域的非線形ハイブリッド運動論的MHDシミュレーションのより詳細な研究を実施した。興味深いことに、非断熱応答に由来する同方向通過高エネルギーイオンの運動論的効果は強く不安定化することが見出された一方、断熱的寄与と非断熱的寄与の両方を含む正味の効果は弱く不安定化する。通過高エネルギーイオンに関して、m/n = 2/1 TMは、q0を中心安全係数とする の場合に最も不安定であることが見出された。異なる高エネルギーイオン割合を決定する高エネルギーイオンのベータ とピンチ角 が、成長率、周波数チャープ、モード構造などの共鳴特性に及ぼす影響を詳細に議論する。関連するシミュレーション結果はHL-2Aでの観測と一致している。さらに、逆方向通過および捕捉高エネルギーイオンのTMへの影響も調査されたが、対応する共鳴位相空間は 平面内で非常に狭いことが見出された。加えて、TMと高エネルギーイオン間の共鳴相互作用によって誘起される再分布と損失を多モードシミュレーションで解析した。顕著な再分布と損失が明確に観測され、高エネルギーイオン損失割合の揺動振幅に対するスケーリングは であることが見出され、損失が対流的であることを示している。これらの発見は、共鳴相互作用を通じたTM誘起高エネルギーイオン損失のメカニズムの理解に資するものである。