A new gyrokinetic toroidal particle code has been developed to study the ion temperature gradient (ITG) driven turbulence in reactor relevant tokamak parameters. We use a new method based on a canonical Maxwellian distribution FCM(Pφ,ε,μ), which is defined by three constants of motion in the axisymmetric toroidal system—the canonical angular momentum Pφ, the energy ε, and the magnetic moment μ. A quasi-ballooning representation enables linear and nonlinear high-m,n global calculations to be carried out, with a good numerical convergence. Conservation properties are improved by using optimized particle loading. From comprehensive linear global analyses over a wide range of unstable toroidal mode numbers (n = 0–100) in large tokamak parameters (a/ρti = 320–460), it is found that the reversed shear configuration produces an effective stabilizing effect on the ITG mode in the q min region through global effects. In the nonlinear simulation, it is found that the new method based on FCM can simulate a zonal flow damping correctly; and spurious zonal flow oscillations, which are observed in a conventional method based on a local Maxwellian distribution FLM(ψ,ε,μ), do not appear in the nonlinear regime.
新しいジャイロ運動論的トロイダル粒子コードが、トカマクの関連するパラメータにおけるイオン温度勾配(ITG)駆動乱流を研究するために開発された。我々は、軸対称トロイダル系における3つの運動定数——正準角運動量Pφ、エネルギーε、磁気モーメントμ——によって定義される正準マクスウェル分布FCM(Pφ,ε,μ)に基づく新しい方法を用いる。準バルーニング表現により、線形および非線形の高m,n大域的計算が、良好な数値収束性をもって実行可能となる。保存特性は、最適化された粒子ローディングによって改善される。大型トカマクパラメータ(a/ρti = 320–460)における広範囲の不安定トロイダルモード数(n = 0–100)にわたる包括的な線形大域解析から、反転シア配位がq min領域においてITGモードに対して大域的効果を通じて効果的な安定化作用を生み出すことが見出された。非線形シミュレーションにおいては、FCMに基づく新しい方法が帯状流減衰を正しくシミュレートできること、そして局所マクスウェル分布FLM(ψ,ε,μ)に基づく従来法において観測される偽の帯状流振動が非線形領域では現れないことが見出された。