2011 Fiscal Year Research-status Report
ヘリカルプラズマにおける電場の自律的振動と輸送障壁に関するダイナミクス解析研究
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23561002
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| Research Institution | National Institute for Fusion Science |
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Principal Investigator |
登田 慎一郎 核融合科学研究所, ヘリカル研究部, 准教授 (60332186)
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| Project Period (FY) |
2011-04-28 – 2016-03-31
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| Keywords | ヘリカルプラズマ / 電場 / 乱流輸送 / 新古典輸送 / 閉じ込め |
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| Research Abstract |
輸送障壁の形成機構はトロイダルプラズマにおいて改善モードを実現するのに重要な課題である。輸送障壁を説明する一つの考え方は径電場の構造形成とそのシアによる乱流抑制である。トロイダルプラズマでは電場分布は閉じ込め特性に強く影響を与える。プラズマエッジでの密度や温度の時間発展に自励振動が現れている。ヘリカルプラズマにおいて，径電場が形成されるときにヘリカルリップルに関係した新古典輸送が優位な役割を果たす。粒子新古典輸送流束と密度，温度勾配との間の非線形関係によって局所的な径方向の点で，しばしば径電場の複数解が得られる。ヘリカルプラズマで径電場の分岐が起こり，結果として得られた径電場における強いシアによって輸送障壁が形成される。径電場の時間発展においてリミットサイクル現象がヘリカルプラズマにおいて実験観測されている。正電場と負電場の時間的な繰り返しの変化がコア領域で起こることが発見されている。コア領域で正電場が観測されているときに，電子内部輸送障壁が観測されている。用いた輸送モデルは密度，電子温度，イオン温度と径電場の時間発展拡散方程式からなる。二つのプラズマ状態の間を振動する径電場のリミットサイクルをシミュレーション結果として示した。ヘリカルプラズマにおいて径電場のリミットサイクル(自励振動)が，粒子，熱流束の条件のもとで，両極性条件によって導かれる電場の複数解により導かれた。コア領域において粒子，熱流束に関係する密度，温度の自励振動が起こす。この計算結果はヘリカルプラズマでの実験結果に対応するものである。径電場の振動現象には二つの時間スケールがあり，典型的な輸送時間スケールと遷移が起こるときの非常に速い時間スケールである。電場の周期的な振動現象が起こるパラメータ領域についても調べた。
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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
ヘリカルプラズマにおけるコア領域での電場の自励振動現象を予測するために，輸送モデルは密度，電子温度，イオン温度と径電場の時間発展拡散方程式からなる。径電場が形成されるときにヘリカルリップルに関連した新古典輸送が優位な役割を果たす。二つのプラズマ状態の間を振動する径電場のリミットサイクルをシミュレーション結果として示す。一つ目の状態ではコア領域で正電場，外の領域で負の電場と正電場から負電場への径方向の遷移が示される。電場の強いシアにより異常熱拡散係数の低減が見られ，この状態のとき輸送障壁が予測される。二つ目の状態では径方向の全領域で負の電場が示される。ヘリカルプラズマにおいて径電場のリミットサイクル(自励振動)が，両極性条件によって導かれる電場の複数解により導かれる。コア領域において粒子，熱流束に関係する密度，温度の自励振動が起こることを示した。この計算結果はヘリカルプラズマでの実験結果に対応するものである。径電場の振動現象には二つの時間スケールがあり，典型的な輸送時間スケールと遷移が起こるときの非常に速い時間スケールである。電場の周期的な振動現象が起こるパラメータ領域についても調べた。そしてこの周期的な振動現象がおこる物理機構について考察を行った。この物理機構は流束と勾配の関係において示される。 平成２３年度の大きな研究目的は，ヘリカルプラズマにおいて，電場の振動現象を予測することであった。これについて達成することができた。また大型ヘリカル装置において静電ポテンシャルの振動現象が観測されているパラメータ領域と理論解析結果から予測されるパラメータ領域が矛盾しないことを示すことができた。その成果について学会発表と論文発表を行った。したがって「(2)おおむね順調に進展している。」の評価を行なっている。
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| Strategy for Future Research Activity |
外部入力を変化させた計算を行い，電場の振動現象の予測できる領域や解が定常になる領域を理論解析で用いたパラメータ平面内で調べる。電子内部輸送障壁が再現できる領域を，理論解析で用いているパラメータ平面上で導く。さらに実験で用いるパラメータ（粒子源，加熱入力等）の平面で定常解になる領域と，自律的な振動解が得られる領域を示す。初期値からのプラズマダイナミクスの解析を行っているので，プラズマの数多くの制御パラメータの中から実験の効率を上げるのに最適な制御パラメータやシナリオを理論的に指摘する。電場の遷移現象，輸送障壁や物理量のダイナミクスに関する実験結果の説明できる部分とできない部分を，本研究の理論解析結果を用いて調べていく。また他の不安定性モードによるモデルや，乱流を運動論的に取り扱った研究から導かれた輸送係数の導入についても考察する。さらに他の種類の輸送障壁(内部拡散障壁，イオン内部輸送障壁)についてのプラズマダイナミクス解析を行う予定である。非常に広いパラメータ領域での計算が必要になるため既存のコードの改良，高速化を行う。 電場のダイナミクスを理論研究する際，密度，温度分布の，境界条件の種類やその値に対する依存性を考察する必要がある。また初期値によって定常状態が違うものが得られるかを調べる必要がある。定常状態に初期値依存性があることが多いからである。そして定常状態に初期値依存性がある外部パラメータの際に初期値を変えることにより振動現象が得られることが多い。これらの予測は，ヘリカル装置での一次元の電場構造の解析を行った経験から得られるものである。また統合コードTASK3Dの解析結果と自分のコードの解析結果との整合性を調べることにより，数値解析コードの精度の議論を行う。
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| Expenditure Plans for the Next FY Research Funding |
研究経費は主に，研究の成果を報告し，共同研究者と議論するための国内，外国旅費に使われる。(国内旅費について)ヘリカルプラズマにおいて電場の構造を決めるのに新古典輸送は重要である。大型ヘリカル装置での新古典輸送を正確に計算するモジュールについて議論するために国内出張を行う。またこれまでの技法では熱拡散係数の径方向微分が含まれ，この微分量が輸送障壁形成面で特異点になることがあり数値的な問題を引き起こす。このような問題を解決する手法が示されている。この手法を本研究で用いる。数値的問題を解決する技法について議論を行うために国内出張に使われる。電場の自律振動を説明する理論輸送モデル方程式の解析結果をプラズマ・核融合学会で報告するために使われる。(外国旅費について)また輸送障壁形成と消滅を繰り返すダイナミクスについての研究成果を国際会議(第２４回核融合エネルギー会議)で報告する際に必要である。研究成果発表資料をまとめるのに必要なソフトウェアやパーソナルコーンピューター用の消耗品（ディスクやプリンタで使う消耗品等）を購入する予定である。 今年度，当初予定よりも少ない国内出張(共同研究)の数で，おおむね順調に研究を進展させることができた。次年度においてその成果を報告し，他の研究者と議論する出張に研究費を使う。
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