2019 Fiscal Year Research-status Report
Development of a numerical method for analyzing radio-frequency sheaths in arbitrarily oriented magnetic fields
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19K03793
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| Research Institution | Kyushu Institute of Technology |
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Principal Investigator |
河野 晴彦 九州工業大学, 大学院情報工学研究院, 准教授 (70710846)
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| Project Period (FY) |
2019-04-01 – 2022-03-31
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| Keywords | シース / 高周波加熱 / 磁場核融合 / 有限要素法 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
トカマク型核融合炉において高周波（RF）波動加熱を適用する場合に重要となるシースの形成を理解するため、研究代表者らはこれまでの研究で有限要素法によるrfSOLコードを構築した（Kohno, et al., Comput. Phys. Comm. 220, 129 (2017)）。このコードでは任意の周波数および背景磁場の下で生じるシース電圧やシース内部の電力散逸を計算することが可能であるが、現状において解析できる現象はイオンリッチシースが保たれる範囲に限られている。背景磁場の磁力線と導体壁面の交差角がある値以下になると電子リッチシースが形成されることになり、その物理を正しく理解し、各種物理量を正確に計算するためには新たな計算モデルが必要となる。
上記のrfSOLコードでは、Myraが導出したシースインピーダンスパラメータ（Myra, Phys. Plasmas 24, 072507 (2017)）を取り入れたシース境界条件を適用している。このパラメータは1次元領域においてミクロスケールの方程式を数値的に解くことにより求められたため、電子リッチシースにそのまま適用することはできない。そのため、この計算を2次元領域で実施するためのモデルの構築およびコードの作成が当面の課題となっている。
令和元年度では、まず1次元領域でミクロスケールの方程式を数値的に解くための有限要素スキームを構築し、あるパラメータを指定して得られた計算結果が、同じ条件下で得られたMyraらの結果（Myra, Phys. Plasmas 22, 062507 (2015)）と良好に一致することを確かめた。2次元領域に拡張するためのモデルの構築（第1ステップ）も終了し、コードを作成するための具体的な計算に取り組んでいる最中である。
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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
「研究実績の概要」で述べたように、1次元領域ではあるが、自身で構築した解析コードが正しい計算結果を与えることを検証することができた。これにより、2次元領域内の計算においてもCrank-Nicolson法と双1次形状関数を用いて良好な結果が得られると期待できる。2次元領域に拡張する際には、プラズマ中の電子電流密度をどのように簡単なモデルで表現することができるか、という問いが重要になる。今回構築したモデルでは、ある条件下において電子は磁力線に沿って運動することに着目し、プラズマ中の電子電流密度の式を用いないで電荷の保存則を局所的に満たすように定式化されている。なお、現段階では磁力線が導体壁面に接する場合を考えていない。これが「研究実績の概要」で記した第1ステップに相当する。
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| Strategy for Future Research Activity |
まずは「現在までの進捗状況」で記したモデルに基づく計算コードを完成させる。NERSCのスーパーコンピュータで計算を実行するための並列計算用プログラムが必要になるため、開発にはまだ時間がかかるだろう。その後、湾曲した導体壁を有する2次元領域内において磁力線の角度と曲面の曲率をパラメータとする計算を行い、各々の条件に対応するシースインピーダンスを求める。その過程で予想していない物理現象が見られたら面白い。
上記の解析が終了した後は、磁力線が導体壁に接する場合でも適用可能な計算スキームを開発する。この段階では、粒子源を通過しない磁力線が含まれる"shadowed regions"の識別および不連続面を処理する計算方法が重要なポイントになる。
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| Causes of Carryover |
（理由）令和1年度はコードの作成およびモデルの構築が中心であったため、基本的には紙と鉛筆、そして共同研究者のMyra氏とのメールのやり取りで十分であった。2次元領域の計算に備えて、数値計算用のワークステーションを1台購入した。
（使用計画）主に以下の物品の購入、および学会やワークショップへの参加を計画している。(1)複数のワークステーションのメモリを増設（128GB以上）およびHDDが搭載されているマシンに関してはSSDに換装、(2)US-Japan Workshop on RF Physics（太宰府）、(3)プラズマ・核融合学会第37回年会（愛媛大学）
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Research Products
(3 results)
