Gyrokinetic simulation studies on the energetic-particle-induced geodesic acoustic mode

高速粒子駆動測地線音響モードのジャイロ運動論的研究

三木 一弘; 井戸村 泰宏   

Miki, Kazuhiro; Idomura, Yasuhiro

高速粒子の物理の理解は将来の燃焼プラズマの理解に重要である。特に、粒子損失の制御がITERにおいては重要な課題である。本研究では、full-fジャイロ運動論シミュレーションコード(GT5D)を用いて、高速粒子により駆動される測地線音響モード(EGAM)の線形モード特性を調べた。bump-on-tail分布を持つ粒子ビームを入射して、一様な温度と密度の初期分布と軸対称の条件で数値計算を行った。ビーム強度があるしきい値を超えると、GAMのおよそ半分の周波数の振動モードが成長する。得られた振動モードの周波数と成長率は固有値解析から得られた理論値と整合した。固有値解析からはq値を変えた場合に励起するモードが分岐することが予測され、q値が低い場合はGAMが成長モードになることが示された。有限軌道幅効果の考慮により固有値解析から見積もられるEGAMの成長率は低減する。これはサイズ効果としても解釈できる。次に、より一般的なビーム分布(slowing down分布)を用いてEGAMのシミュレーションを行った。この場合もEGAMの成長が観測された。得られた成長率や振動数はDIII-Dにおける観測結果やハイブリッドコードによる成長率の評価と整合した。

Understanding of the energetic particles physics is of great interest in the future burning plasmas. Particularly, particle loss in the presence of EGAM may be critical for ITER. We here introduce energetic particles in a full-f gyrokinetic code (GT5D). (1) We find linear dynamics of the EGAM driven by bump-on-tail particle distributions. Above a certain level of the beam intensity, an oscillatory mode grows with about a half of the standard GAM. The observed frequencies are consistent with the eigenmode analyses derived from the perturbed gyrokinetic equations. The theoretical analyses also indicate a bifurcation of the excited modes depending on q-value. Estimation of the finite-orbit-width effects can provide a size dependency of the EGAM growth rate. (2) We find linear and nonlinear dynamics of the EGAM driven by slowing-down distributions. We examine the axisymmetric gyrokinetic simulations with DIII-D-like parameters. The observed growth rates and frequencies are consistent with results of other hybrid code.