2023 Fiscal Year Research-status Report
Analysis of collapse phenomena in heliotron plasma based on paradigm shift including net current
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20K03909
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| Research Institution | National Institute for Fusion Science |
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Principal Investigator |
市口 勝治 核融合科学研究所, 研究部, 教授 (90211739)
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2020-04-01 – 2025-03-31
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| Keywords | 磁場閉じ込め核融合 / プラズマ / 電磁流体力学 / 数値シミュレーション / 交換型モード / 大型ヘリカル装置 / 非線形遷移 / プラズマフロー |
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| Outline of Annual Research Achievements |
これまで大型ヘリカル装置（LHD）での実験で観測されているプラズマ閉じ込めの崩壊現象の電磁流体力学的非線形数値シミュレーションを進めてきた。そしてその崩壊現象が最低次のモード数を持つ圧力駆動型不安定性で生じることに対するメカニズムとして、交換型モードから非共鳴モードへの非線形遷移が一つの候補であることを示してきた。さらに、この非線形遷移が、電流駆動の実験と磁気軸を内側に寄せる実験の両方での崩壊現象において起こりうることを明らかにした。
2023年度には、この解析をさらに推し進めるために、プラズマフローの導入を検討した。プラズマの巨視的フローを含む平衡を用いて同様の解析を行いたいと考えているが、現段階において巨視的フローを矛盾なく含む三次元平衡を計算する手法は開発されていない。そこで、三次元静止平衡を利用して巨視的フローを計算する手法の開発を進めてきた。この手法の開発においては、以下の仮定を用いた。すなわち、フローが定常的であること、磁気面上を流れ磁気面を横切らないこと、さらに、磁場に垂直方向の成分が磁気面ポテンシャルと磁場とのベクトル積で表現できることの3つを仮定する。そうすると、巨視的フローはHamada座標と呼ばれる磁気座標を用いることによって、一つの式で表現できる。Hamada座標を構築するには、磁気面形状の情報が必要であり、ここでは、三次元静止平衡計算コードであるVMEコードの出力を利用することとした。また、この表式では、2つの未定の磁気面関数の同定が必要であり、その決定には、実験データを用いることにした。これにより、1次元の観測データを三次元の全空間にマッピングできることになる。今回、この手法を利用して、LHD実験での観測結果との比較を行った。その結果、フローのプロファイルに関しては定性的な一致が得られているが、定量的な大きさには差が見られている。
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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
非線形電磁流体力学的数値シミュレーションによって、大型ヘリカル装置で観測されている崩壊現象のメカニズムに関して、異なる2つの実験条件での崩壊現象が、一つのメカニズムの候補で説明可能であることが示されてきた。さらに、今回、このシミュレーションをより現実的な状況に近づけるために、プラズマフローの導入を検討し、実験でのフローの観測データの再現を検討できる段階へと進んでいるため。
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| Strategy for Future Research Activity |
今回、三次元平衡における巨視的プラズマフローの解析手法の開発を推し進め、実験での観測データとの比較を行える段階まで到達した。現時点では、フローのプロファイルに関しては定性的一致が得られているが、フローの大きさに関しては差がみられている。そこで、まず、このフローの大きさも含めて実験データを再現する手法の開発を行う。方針としては、これまで利用してきた仮定のうちで、磁場に垂直方向の成分に関するものを緩和して、新たな計算スキームを開発する。この手法を利用して実験データを正確に再現し、そのフローを含む非線形ダイナミクスシミュレーションを行う。この場合、計算した巨視的フローは初期摂動の一部として導入し、プラズマの挙動を追跡する。そして、このプラズマフローが非線形遷移に対してもたらす影響を明らかにする。
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| Causes of Carryover |
本研究課題の初期におけるコロナ禍での国内外の学会が中止やオンラインとなったため、それに計上していた経費が累積して、次年度使用額が生じた。2024年度においては、国際会議出席と論文投稿を中心に、使用していく予定である。
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