2023 Fiscal Year Research-status Report
磁気面が壊れたコアからエッジにわたる領域のタングステン不純物輸送シミュレーション
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20K03908
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| Research Institution | National Institute for Fusion Science |
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Principal Investigator |
菅野 龍太郎 核融合科学研究所, 研究部, 准教授 (30270490)
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| Project Period (FY) |
2020-04-01 – 2025-03-31
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| Keywords | 確率論的モデリング / モンテカルロシミュレーション / 不純物輸送 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
磁気面が壊れているエッジにおけるタングステン不純物のクーロン衝突輸送に対して、電場の効果や磁場の3次元性に焦点を当てつつ、引き続き研究を推進している。最近の研究動向として、エッジにおける乱流現象が注目を集めるようになり、急速に研究が進展してきている。そのため、そのような背景プラズマの乱流が、不純物輸送にどのような影響を与えるのか、特に、不純物の粒子輸送のグローバル効果への影響に関して、前年度に引き続き、理論・シミュレーション研究を行った。ここで、乱流と不純物輸送を直接的に組み合わせて運動論的にシミュレーションを行うことは、計算機資源の観点から実行困難であるため、理論的なモデリングに基づいて検討を進めた。不純物は、背景プラズマと比べ極めて希薄（背景イオンの数密度の10万分の1以下）であるため、不純物は、乱流によって生じる電場揺動も含めて電磁場の決定に寄与しない。そこで、乱流効果を5次元位相空間における不純物の運動方程式に対する有界なノイズとしてモデリングした。このモデリングに基づき、不純物のドリフト運動論方程式への乱流効果に関して理論的考察を行い、有界なノイズを加えた不純物のドリフト運動論シミュレーションを実行した。それにより、ノイズとして表現される乱流効果は、その強度に依らず、不純物分布関数のアンサンブル平均の時間発展に対して影響を与えないということが明らかになった。また、この結果から、これまで開発してきたタングステン不純物の輸送モデル（乱流効果を無視したシミュレーションモデル）から得られる粒子輸送のグローバル効果は、エッジにおいて発生した乱流に対して、堅牢性を持っていることを示せた。さらに、磁気面が壊れた領域における電場計算およびその電場の不純物輸送への影響を調査するため、引き続きコード開発を行っている。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
3: Progress in research has been slightly delayed.
Reason
最近の研究動向を踏まえ、当初計画では、計算コストの観点から扱わない予定であった、タングステン不純物輸送に対する乱流の効果（電場揺動の効果）に関して考察を行うことにした。昨年度、主に理論的な考察を行い、不純物輸送に対する乱流効果の影響に関して予測を得ていた。その一方、不純物の粒子輸送におけるグローバル効果は、従来の理論研究では見落とされていた効果で、ドリフト運動論シミュレーションを行うことで初めて見出されたものであるため、シミュレーションによって、この理論的予測の検証を行う必要があった。エッジにおいて乱流計算を行いつつ、不純物輸送シミュレーションを行うことは、膨大な計算資源が要求され、現実的ではないので、不純物輸送に対してtrace impurity approximationが成立していることを仮定して、電場の時間的揺らぎの効果を不純物粒子の運動に対する有界なノイズとして扱うモデリングをドリフト運動論方程式に導入し、そのモデルに基づいたドリフト運動論シミュレーションによって検証した。その結果、理論的な予測通りに、このようなノイズは、5次元位相空間における不純物分布関数のアンサンブル平均の時間発展に対して影響を与えず、不純物の粒子輸送におけるグローバル効果に影響しないということが確認された。不純物輸送のモデリングに対する理解がさらに進み、その理解に基づいて、コード開発を進めているところである。
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| Strategy for Future Research Activity |
前年度までに開発した確率論的モデルおよびモンテカルロ・ポアソンソルバをドリフト運動論シミュレーションコードKEATSと組合せ、磁気面が壊れた領域（具体的には、磁気島が生じた領域）における背景プラズマの温度・数密度分布、3次元磁場、および静電場に影響されるタングステン不純物輸送の計算を実行するべく、シミュレーションモデルおよびコードの開発・改良を引き続き行う。昨年度から、エッジにおける背景プラズマのジャイロ運動論シミュレーションXGCを開発している研究グループとも研究協力が行えるようになり、磁気面が壊れた領域における電場評価に、このシミュレーションの結果を利用する準備を進めている。ここで、核融合炉で想定されているタングステン不純物の数密度は、背景プラズマと比べて極めて希薄（10万分の1以下）であり、電場の評価には不純物は寄与しないため、電場評価は、背景プラズマのシミュレーション計算のみで行える。得られた電場をKEASTに読み込ませるなどのコード整備の際には、これまで開発してきた手法も応用して計算コストの低減を図りつつ、タングステン不純物輸送シミュレーションに適したドリフト運動論方程式の近似法の考察を行い、最終目標への到達を目指す。
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| Causes of Carryover |
新型コロナウイルス感染症の流行を経て、共同研究者との研究打合せは、オンラインで行うことになってしまうケースが増え、旅費の支出が予定より少なくなった。また、シミュレーションコード開発及びその実行に利用しているスパコンにおいて、電気料金の高騰などのために計算実行の機会が抑制されたことにより、研究の進行が遅れ、そのため予定通りに使用できなかった。現在、研究環境は、徐々に回復しつつあるので、令和6年度における使用計画としては、翌年度分として請求した助成金と合わせ、論文掲載料の支払いや、対面での研究打合せ・学会発表のための旅費などに使用する予定である。
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