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2016 Fiscal Year Annual Research Report

Particle-in-cell gyrokinetic simulation for fusion edge plasma dynamics

Research Project

Project/Area Number 16H07419
Research InstitutionNational Institute for Fusion Science

Principal Investigator

森高 外征雄  核融合科学研究所, ヘリカル研究部, 助教 (20554372)

Project Period (FY) 2016-08-26 – 2018-03-31
Keywords粒子シミュレーション / ジャイロ運動論
Outline of Annual Research Achievements

本研究ではプラズマ粒子シミュレーションにジャイロ運動論を適用することで簡約化し、中性ガスとの相互作用を含む核融合炉周辺プラズマ現象の解析に応用することを目指している。国内のほとんどのジャイロ運動論シミュレーション研究では、荷電粒子の分布関数を計算粒子ではなく速度空間上のメッシュを用いて表現しているが、アメリカでは一部の研究グループで粒子法を用いたジャイロ運動論コードが開発されてきている。平成28年12月から三ヶ月間、そのような計算コードの一つであるXGC(X-point included gyrokinetic code)を開発しているプリンストンプラズマ物理研究所のグループのもとに滞在し、初期磁場配位の一般化や核融合科学研究所の大型計算機「プラズマシミュレータ」への最適化を行った。前者については、XGCが従来対象としていたトカマク核融合炉に加えてより強い3次元性を持つヘリカル核融合炉へ対応を進め、後者についてはXGCコードのコア部分(ジャイロ運動論方程式に従って計算粒子の軌道を追跡する部分)のSIMD演算率を向上させ、その結果、理論ピーク性能比で10%を超える実効性能が得られている。XGCは核融合炉全体のシミュレーションを目指しており、電子スケールの現象は近似的に扱っている点で本研究課題とは相違点がある。しかしジャイロ運動論は電子ダイナミクスにもそのまま適用可能であるため、今回得られた知見をもとに、直線装置などを対象とした簡約化ジャイロ運動コードを開発と中性ガスシミュレーションとの結合を進めていくことができると考えている。

Current Status of Research Progress
Current Status of Research Progress

2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.

Reason

XGCはITER等の大型トカマク装置のシミュレーションで実績があり、計算粒子を用いない他の計算コードとの比較も行われているため、粒子法を用いたジャイロ運動論コードとしては信頼性の高いものである。XGCの開発に寄与することで、ソースプログラムのレベルで理解が進められた点は、本研究課題におけるシミュレーション手法開発の出発点として有用である。一方、プリンストンプラズマ物理研究所への長期出張は、核融合科学研究所のプロジェクト上の目的(XGCのヘリカル核融合炉への適用)もあり、出張中は本研究課題特有の部分(中性ガスに関係する部分など)に対して十分な時間が取れていない面もある。

Strategy for Future Research Activity

研究代表者自身の粒子シミュレーションコードについては、導体壁境界条件など新しい要素を追加し、従来のレーザープラズマ関係のシミュレーションだけでなく、球場トカマクの合体(磁気リコネクション)シミュレーションをはじめとした幅広い系に応用できるように整備を進めている。基本的には、このコードにジャイロ運動論による粒子軌道計算部分を追加する予定であるが、XGCを直線装置向けに簡略化し中性ガスのダイナミクスに関係する要素を追加していく可能性もある。XGCの開発チームとも相談の上、本研究課題とXGCの開発とを無理のない形で共存させていけるようにしたいと考えている。

  • Research Products

    (6 results)

All 2017 2016 Other

All Int'l Joint Research (1 results) Journal Article (5 results) (of which Int'l Joint Research: 3 results,  Peer Reviewed: 5 results)

  • [Int'l Joint Research] プリンストンプラズマ物理研究所(米国)

    • Country Name
      U.S.A.
    • Counterpart Institution
      プリンストンプラズマ物理研究所
  • [Journal Article] Transition from coherent to incoherent acceleration of nonthermal relativistic electron induced by an intense light pulse2017

    • Author(s)
      Y. L. Liu, Y. Kuramitsu, T. Moritaka, S.H. Chen
    • Journal Title

      High Energy Density Physics

      Volume: 22 Pages: 46

    • DOI

      https://doi.org/10.1016/j.hedp.2017.02.006

    • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
  • [Journal Article] Experimental Studies on Magnetic Reconnection Using Lasers2016

    • Author(s)
      Toseo Moritaka
    • Journal Title

      レーザー研究

      Volume: 44 Pages: 602

    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Radiation reaction in the interaction of ultraintense laser with matter and gamma ray source2016

    • Author(s)
      J. F. Ong, W. R. Teo, Toseo Moritaka, H. Takabe
    • Journal Title

      Physics of Plasmas

      Volume: 23 Pages: 053117

    • DOI

      http://dx.doi.org/10.1063/1.4952626

    • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
  • [Journal Article] TIME EVOLUTION of KELVIN-HELMHOLTZ VORTICES ASSOCIATED with COLLISIONLESS SHOCKS in LASER-PRODUCED PLASMAS2016

    • Author(s)
      Y. Kuramitsu, A. Mizuta, Y. Sakawa, H. Tanji, T. Ide, T. Sano, M. Koenig, A. Ravasio, A. Pelka, H. Takabe, C. D. Gregory, N. Woolsey, T. Moritaka, S. Matsukiyo, Y. Matsumoto, and N. Ohnishi
    • Journal Title

      The Astrophysical Journal

      Volume: 828 Pages: 93

    • DOI

      https://doi.org/10.3847/0004-637X/828/2/93

    • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
  • [Journal Article] Toward the Generation of Magnetized Collisionless Shocks with High- Power Lasers2016

    • Author(s)
      Yoshitaka SHOJI, Ryo YAMAZAKI, Sara TOMITA,..., Toseo MORITAKA(21人18番目), ....
    • Journal Title

      Plasma and Fusion Research

      Volume: 11 Pages: 3401031

    • DOI

      http://doi.org/10.1585/pfr.11.3401031

    • Peer Reviewed

URL: 

Published: 2018-01-16   Modified: 2022-01-28  

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