This paper discusses the importance of parallel perturbations of the magnetic-field in gyrokinetic simulations of electromagnetic instabilities and turbulence at mid-radius in the burning plasma phase of the conceptual high-β, reactor-scale, tight-aspect-ratio tokamak STEP. Previous studies have revealed the presence of unstable hybrid kinetic ballooning modes (hKBMs) and subdominant microtearing modes at binormal scales approaching the ion Larmor radius. In this STEP plasma it was found that the hKBM requires the inclusion of parallel magnetic-field perturbations to be linearly unstable. Here, the extent to which the inclusion of fluctuations in the parallel magnetic-field can be relaxed is explored through gyrokinetic simulations. In particular, the frequently used MHD approximation (dropping and setting the drift frequency equal to the curvature drift frequency) is discussed and simulations explore whether this approximation is useful for modelling STEP plasmas. It is shown that the MHD approximation can reproduce some of the linear properties of the full STEP gyrokinetic system, but is too stable at low ky and nonlinear simulations using the MHD approximation result in very different transport states. It is demonstrated that the MHD approximation is challenged by the high values in STEP, and that the approximation improves considerably at lower . Furthermore, it is shown that the sensitivity of STEP to fluctuations is primarily because the plasma sits close to marginality and it is shown that in slightly more strongly driven conditions the hKBM is unstable without Crucially, it is demonstrated that the state of large transport typically predicted by local electromagnetic gyrokinetic simulations of STEP plasmas is not solely due to physics.
本論文は、概念的で高β、炉規模、低アスペクト比トカマクSTEPの燃焼プラズマ段階における中半径での電磁的不安定性と乱流のジアロ運動論的シミュレーションにおける、磁場の平行方向摂動の重要性を論じる。先行研究により、イオンラーマー半径に近づくバイノーマルスケールにおいて、不安定なハイブリッド運動論的バルーニングモード（hKBMs）と劣位のマイクロテイアリングモードの存在が明らかにされている。このSTEPプラズマにおいて、hKBMが線形不安定であるためには平行方向磁場摂動の包含が必要であることが見出された。ここでは、平行方向磁場の変動の包含をどの程度緩和できるかが、ジャイロ運動論的シミュレーションを通じて探求される。特に、頻繁に使用されるMHD近似（ を落とし、 ドリフト周波数を曲率ドリフト周波数と等しくする）が議論され、シミュレーションはこの近似がSTEPプラズマのモデリングに有用であるかどうかを探求する。MHD近似が完全なSTEPジャイロ運動論的システムの線形的性質の一部を再現できるが、低kyでは安定すぎるであり、MHD近似を用いた非線形シミュレーションは非常に異なる輸送状態をもたらすことが示される。高 値によってMHD近似が困難に直面すること、そしてより低い では近似がかなり改善されることが実証される。さらに、STEPの 変動に対する感度は、主にプラズマが限界近傍にあるためであり、わずかに強く駆動される条件ではhKBMは なしで不安定であることが示される。決定的に、STEPプラズマの局所的電磁ジャイロ運動論的シミュレーションによって典型的に予測される大きな輸送の状態は、 物理のみに起因するものではないことが実証される。