核融合プラズマにおける2流体効果の理論解析

2002 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 14658137
• Research Institution: Niigata University
• Principal Investigator: 石田 昭男 新潟大学, 理学部, 教授 (30108013)
• Keywords: 核融合プラズマ / 2磁気流体モデル / 平衡 / 2流体効果

Research Abstract

流れのない1磁気流体の軸対称平衡はGrad-Shafranov方程式で記述される。流れのある2磁気流体の軸対称平衡は、電子・イオン各流体の一般化運動量の渦のポロイダル成分を表す面関数Ψ_α(R,Z)(α=e,i)の連立偏微分方程式で記述される。[1]この連立方程式は4つの任意関数を含む。
トロイダル流のみの平衡:2次元数値解析法を開発し、東京大学TS-3装置のCT配位やプリンストン大学NSTX装置の中性粒子入射におけるST配位を再現できた。1流体モデルでは磁力線を横切るイオン流はExBドリフトのみであるが、2流体モデルでは、このほかにイオン圧力勾配によるドリフトが存在する。後者と前者の比f_<2F>を2流体効果指数に採用し、その有効性を確認した。[1]上述のCT解ではf_<2F>=1.6、ST解ではf_<2F>=0.2で、低ベータSTでは2流体効果はそれほど重要でないが、超高ベータCTでは2流体効果は重要である。
ポロイダル流も存在する平衡:プラズマ半径とイオン慣性長の比S_*(STでは、S_*【approximately equal】30)の2乗が大きい場合、Ψ_i(R,Z)はΨ_e(R,Z)の代数式で近似でき、平衡方程式はΨ_e(R,Z)の偏微分方程式に帰着することがわかった。入力パラメータが主制御する物理量を把握することと、扁長度の大きいCTやSTでは1次元解の入力パラメータが2次元解の入力パラメータのよい近似になることの理由から、まず1次元解析を実行した。得られた解のうち磁場、電流、トロイダル流、圧力の分布がおおむね前述の2次元解の中心面での分布に類似している解の2流体効果指数を求めた。CT解でf_<2F>=5.9、ST解でf_<2F>=1.0であった。磁場構造等が類似していても2流体効果に大きな差異があり得る。現在のST平衡においても2流体効果が無視し得ないことを示唆している。
【1】H.Yamada, et al., Phys. Plasmas, 9(2002), 4605.

Research Products

• [Publications] 山田英明: "Equilibrium analysis of a flowing two-fluid plasma"Physics of Plasmas. 9・11. 4605-4614 (2002)
• [Publications] 山田英明: "Stability formalism of a flowing two-fluid plasma"Physics of Plasmas. 10・4(発表予定). (2003)