2020 Fiscal Year Research-status Report
Numerical study on kinetic plasma dynamics in ergodic regions
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20K03912
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| Research Institution | National Institute for Fusion Science |
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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)
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| Project Period (FY) |
2020-04-01 – 2023-03-31
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| Keywords | ジャイロ運動論シミュレーション / 非構造格子 / ヘリカル型核融合炉 / 周辺輸送解析 / 径電場 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究では、ヘリカル型核融合炉の周辺領域を含む運動論的プラズマ輸送解析を行い、炉心部分に閉じ込められたプラズマのダイナミクスが、複雑な周辺磁場形状を経由して、真空容器壁やダイバータにどのような影響をもたらすかを明らかにすることを目標としている。ヘリカル型核融合炉特有の炉心・周辺磁場や真空容器の形状をシームレスに取り入れるため、非構造格子を用いた有限要素法と粒子法をベースとしたジャイロ運動論コードを開発してきた。
これまでに、炉心領域を対象とした巨視的輸送シミュレーションが可能になってきた。その最初の応用として、大型ヘリカル装置（LHD）炉心部全体にわたって生成した径電場が同位体プラズマの乱流輸送に与える影響を、シミュレーション結果に基づいた準線形解析から議論した。本成果は、核融合科学分野における重要な国際会議「国際原子力機関核融合エネルギー会議（IAEA-FEC）」に投稿・受理された。また、国際共同研究を行っているプリンストンプラズマ物理研究所では、開発したコードが世界各国のヘリカル型核融合炉に応用されており、IAEA-FECおよび査読付き学術誌でその成果が発表されている。
さらに、周辺部への拡張に向けた数値計算手法として、周辺磁場構造に最適化した非構造格子の生成スキームと、磁気面や軸対称性を仮定せず一般的な磁場構造に適用可能な場の方程式の反復解法を新たに開発した。これらの手法は、これまで例がなかった周辺領域へのジャイロ運動論モデルの適用におけるブレイクスルーになると期待される。本手法は、国際学会と査読付き論文誌で１件ずつ発表された。
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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
ヘリカル型核融合炉周辺部のジャイロ運動論的輸送解析については、これまでシミュレーション手法が確立されておらず、シミュレーションコードも存在しなかった。そのため、計算手法開発、コード作成、妥当性の検証、核融合実験炉への応用を、ゼロから組み合わせて進めていく必要がある。計算手法の観点では、複雑な磁場構造を持つ周辺領域におけるセルフコンシステントな揺動静電場の導出が最大の難点であり、2020年度までにこの問題の解決に一定の目処が立ったと考えられる。コード開発の観点では、富岳成果創出加速プログラム「核燃焼プラズマ閉じ込め物理の開拓」のもとで富岳への最適化を進めることができた。また、比較的計算手法が確立している炉心部については実用的なシミュレーションが可能になり、具体的な物理課題に対する応用が可能になってきている。これらのことから、本研究の目標に対する技術的な基盤を構築することができたと考えられ、初年度としては概ね順調に進展していると言える。
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| Strategy for Future Research Activity |
これまで炉心プラズマに応用してきた計算コードをベースに、新たに開発した計算手法や非構造格子を組み合わせることで、ヘリカル型核融合炉周辺領域への応用を目指す。まずは、微視的揺動や乱流を無視したシミュレーションを行い、周辺領域における粒子・熱フラックスや静電場構造の全体像を捉えることを目標とする。その結果について、可能であれば大型ヘリカル装置の周辺プラズマ計測データとの比較を試みる。また、炉心プラズマ解析については、これまで実施してきた乱流輸送における径電場効果の研究を発展させ、径電場の生成メカニズムを自己無撞着に含む非線形シミュレーションを行う。三年目以降に余力があれば、揺動静電場を含む周辺輸送シミュレーションを行い、周辺領域における乱流現象とそれがプラズマ輸送やダイバータ熱負荷に与える影響について考察する。
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| Causes of Carryover |
新型コロナウイルス感染症の流行により二件の国際学会が延期になったため、それに関連した学会参加費用と海外出張旅費の使用ができなくなっている。いずれもオンライン開催になったため、学会参加費用を2021年度に使用予定である。また、国際共同研究を行っているプリンストンプラズマ物理研究所（アメリカ）への出張については、新型コロナウイルス感染症の終息後に実施を予定している。
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