2020 Fiscal Year Annual Research Report
拡張MHDコードを取り入れた革新的不純物輸送解析スキームの開発と実験的検証
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18H01202
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| Research Institution | Hiroshima University |
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Principal Investigator |
鈴木 康浩 広島大学, 先進理工系科学研究科(工), 教授 (20397558)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
沼波 政倫 核融合科学研究所, ヘリカル研究部, 准教授 (40397203)
田村 直樹 核融合科学研究所, ヘリカル研究部, 准教授 (80390631)
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| Project Period (FY) |
2018-04-01 – 2023-03-31
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| Keywords | 核融合プラズマ / 不純物輸送 / 拡張MHD |
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| Outline of Annual Research Achievements |
これまで、不純物輸送に関して多くの理論的研究・大規模数値シミュレーションが行われたが、輸送された不純物がどのようにプラズマ中に蓄積されるかは明らかになっていない。また、実験でしばしば観測される、磁場構造に依存する不純物蓄積の増大や遮蔽のメカニズムも明らかになっていない。そこで本研究では、不純物分布を考慮した拡張MHDコードとジャイロ運動論・新古典輸送理論に基づく局所輸送コードを統合して反復的に解を求める革新的スキームを開発し、プラズマ中の不純物輸送を考察する。同時に、不純物入射装置と局所的な不純物蓄積も観測できる新しい2次元輻射計測を活用した不純物輸送実験を行い、シミュレーションモデルの検証と妥当性確認を行う。このことにより、プラズマ中の不純物がどのようにプラズマ中で輸送され、どこへどのように蓄積されるか明らかにする。
令和2年度は、革新的反復スキームの改良を進め、不純物ペレットによる局所的な輻射による温度低下を反映した電気抵抗の変化を計算に繰り込めるようにコードを改良した。実験結果を模擬した平衡計算を行い、開発した反復スキームを適用した。パラメータによっては、計算が不安定となり停止した。これは、急激な温度変化が急峻な電気抵抗の変化をもたらし、そこで数値不安定性が発生することによるものであることが分かった。LHD実験にて、不純物入射による不純物スネーク構造の発現を目指したが、実験的に観測することは出来なかった。しかし、パラメータ領域を探索することで、不純物スネークを発現できるパラメータ領域をほぼ同定することが出来た。LHD実験とは別にトカマク装置ASDEXでも実験的検証を計画し、データの検証を開始した。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
本研究では、グローバルな背景プラズマ分布の変化と磁場構造の影響を、拡張MHDコードに不純物分布を取り込むことで世界で初めて再現し、拡張MHDコードの結果を初期値としてジャイロ運動論・新古典輸送理論の局所モデルシミュレーションを行う、新しい革新的マルチスケール反復スキーム開発を行っている。新しい革新的反復スキームで得られたシミュレーション結果は、LHD実験と詳細に比較し検証と妥当性確認を行う。不純物分布が、磁気面形状と大きく離れることも考慮し、輻射分布計測器を新しく開発し、不純物入射装置を活用した不純物輸送実験を行った。
令和2年度は、以下の3点について研究を進めた。
1. 昨年度まで続けてきた3次元拡張MHDコードの改良を引き続き進めた。電気抵抗の分布は磁気面量の関数として与えてきたが、磁気面から大きくずれた分布を持つ不純物輻射による局所的な温度変化を考慮し、3次元グリッド上で定義された温度の関数として電気抵抗を取り込めるよう改良を進めた。改良したコードで非線形計算を行い、飽和解を得た。
2. 実験結果をよく模擬できる平衡を計算し、反復スキームにより改良版MIPSコードの非線形計算と運動論計算を結合した。輸送係数は実験解析から得られたものを使用した。
3. LHD実験において、不純物入射実験を行い、磁気面から大きくずれた不純物分布を持つ不純物スネークをLHD実験で発現させる事を目指したが、不純物スネークを実験的に観測することは出来なかった。
4. LHDに加え、トカマク装置ASEDEXでの実験的検証を計画し、データの検証を始めた。
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| Strategy for Future Research Activity |
令和3年度は、令和2年度に引き続き拡張MHDコードの改良と、ジャイロ運動論・新古典輸送理論コードとの結合による反復スキームの開発を進める。新しい革新的反復スキームで得られたシミュレーション結果は、LHD実験と詳細に比較し検証と妥当性確認を行う。不純物分布が、磁気面形状と大きく離れることも考慮し、輻射分布計測器を新しく開発し、不純物入射装置を活用した不純物輸送実験を行う。
令和3年度は、以下の3点について研究を進める。
1. 昨年度まで続けてきた3次元拡張MHDコードの改良を引き続き進める。電気抵抗の分布を磁気面量ではなく、温度の関数として3次元的な分布を持つ事ができるよう改良を進めたが、場合によっては電気抵抗値が小さい領域で正しく計算ができない状態が発現した。そこで、不純物分布を反映した電気抵抗の3次元分布も考慮しつつ、計算が完全に終了するよう電気抵抗に調整を加える機能を追加する。
2. 実験結果をよく再現した平衡計算を計算し、反復スキームにより改良版MIPSコードの非線形計算と運動論計算を結合する。昨年度は、輸送係数は実験解析から得られたものを使用したが、計測結果と大きく異なる結果が得られる場合があった。そこで、実際の実験解析を使用せず、幅広くパラメータスキャンを行うことで、パラメータ領域の同定を行う。
3. LHD実験において、不純物入射実験を行い、磁気面から大きくずれた不純物分布を持つ不純物スネークをLHD実験で発現させ、開発した高時間・空間分解2次元輻射分布計測装置での観測を目指す。 令和3年度は、入射する不純物の量、加熱パワーのスキャン等を行い、不純物スネークの発現領域を同定する。
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