Interactions between energetic ions (EIs) and kinetic ballooning modes (KBMs) are inevitable in fusion reactors characterized by high-β plasmas with a large population of alpha particles (, where ). In this work, the effects of EIs on KBM stability are investigated using first-principles gyrokinetic simulations, which demonstrate the roles of magnetohydrodynamic (MHD) ballooning-interchange drive, wave–particle resonance and orbital effects in several parameter regimes of practical interest. In particular, it is found that EI–KBM interactions are mostly determined by three dimensionless parameters: the EI–thermal electron temperature ratio , the KBM perpendicular wave vector normalized by EI orbit width and the EI pressure ratio βh, which are associated with resonance condition, finite orbit width (FOW) screening and EI drive strength for Alfvénic modes. For typical orderings of and , becomes crucial for relevant physical processes. (i) In the short-wavelength regime of , the response of EIs to KBM electromagnetic fluctuations is greatly reduced due to strong FOW screening, which leads to a weakly stabilizing effect on KBMs via thermal ion dilution, despite the large βh. (ii) In the long-wavelength regime of , passing EIs can non-perturbatively destabilize KBMs through transit motion resonance, attributed to the fact that large poloidal and toroidal frequencies mostly cancel each other and satisfy locally around rational surfaces (p is an integer), while the net response of trapped EIs is near zero due to the mismatch of resonance conditions. For minor ion species characterized by 1, such as helium ash, FOW screening is modest with and the drive strength is perturbative with , which drive KBMs through MHD ballooning-interchange and wave–particle resonance similar to thermal ions. These findings are helpful for understanding the effects of alpha particles and helium ash on KBM stability and plasma confinement in future fusion reactors.
高エネルギーイオン（EI）と運動バルーニングモード（KBM）との間の相互作用は、アルファ粒子の大きな集団を特徴とする高βプラズマを有する核融合炉において不可避である。本研究では、EIがKBM安定性に及ぼす影響を、第一原理に基づくジャイロ運動論シミュレーションを用いて調査し、磁気流体力学（MHD）バルーニング・インターチェンジ駆動、波・粒子共鳴、および軌道効果の役割を、いくつかの実用的なパラメータ領域にわたって明らかにする。特に、EI–KBM相互作用は、主に3つの無次元パラメータ、すなわちEI温度と熱電子温度の比、EI軌道幅で規格化されたKBM垂直波数、およびEI圧力比βhによって決定されることが見出された。これらのパラメータは、共鳴条件、有限軌道幅（FOW）遮蔽、およびアルフヴェン・モードに対するEI駆動強度にそれぞれ対応する。典型的なオーダーリングにおいて、特定のパラメータが支配的となる。 (i) 短波長領域では、強いFOW遮蔽によりKBMの電磁摂動に対するEIの応答が大幅に低減され、その結果、大きなβhにもかかわらず、熱イオン希釈を介したKBMの弱い安定化効果のみがもたらされる。 (ii) 長波長領域では、通過粒子であるEIが、その大きなポロイダル周波数とトロイダル周波数がほぼ打ち消し合い、有理面近傍で共鳴条件を満たすことにより、非摂動的にKBMを不安定化させ得る。一方、捕捉粒子であるEIの正味の応答は、共鳴条件の不整合によりほぼゼロとなる。ヘリウム灰のような副次的なイオン種の場合、FOW遮蔽は穏やかであり、駆動強度は摂動的であるため、MHDバローニング・インターチェンジおよび熱イオンと同様の波・粒子共鳴を介してKBMを駆動する。これらの知見は、将来の核融合炉におけるアルファ粒子とヘリウム灰がKBM安定性とプラズマ閉じ込めに及ぼす影響を理解する上で有用である。