2014 Fiscal Year Research-status Report
第一原理乱流シミュレーションによる核燃焼プラズマ中の燃料・不純物輸送研究
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26820401
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| Research Institution | National Institute for Fusion Science |
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Principal Investigator |
仲田 資季 核融合科学研究所, ヘリカル研究部, 助教 (40709440)
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| Project Period (FY) |
2014-04-01 – 2017-03-31
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| Keywords | プラズマ乱流 / ジャイロ運動論 / 多粒子種乱流輸送シミュレーション / 不純物輸送 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
核燃焼プラズマにおけるヘリウム灰やベリリウム、タングステン等の不純物輸送過程の解明と制御法の確立は、核融合炉における自己点火や定常燃焼の達成する上で重要な課題である。本研究は核融合プラズマの第一原理モデルである５次元ジャイロ運動論に基づいた多粒子種乱流シミュレーションにより、炉心プラズマ乱流中の燃料・不純物輸送過程の解析を行う。
平成２６年度においては、まず多粒子種乱流シミュレーションモデルの構築および高精度化を実施した。燃料同位体や不純物の乱流輸送レベルを予測するには、異種粒子種間衝突過程を正確に取り扱う必要があり、研究代表者らが開発を進めている乱流コードGKVに実装されていた簡約的な同種粒子衝突モデルを多粒子種衝突モデルへと拡張した。さらに、衝突計算に関わる数値誤差を軽減する手法を考案し、時空間スケールの離れたイオン－電子間衝突においても高い精度で保存特性が維持されることが確認された。これにより、燃焼プラズマ乱流解析に必要不可欠なシミュレーションモデルの開発が完了した。
拡張されたシミュレーションモデルを用いて、実際のトカマク実験データに基づいた乱流輸送シミュレーション解析を実施し、イオンおよび電子熱輸送レベルに関する定量予測性能の検証を行った。プラズマ周辺領域におけるイオン熱輸送レベルについては実験結果からの差異が見られたものの、炉心内部領域ではイオン・電子ともに、実験結果と同程度の輸送レベルを示すことが確認された。また、ヘリウム、炭素、アルゴン等の軽不純物の影響を線形安定性解析によって調べ、輸送を駆動するITG-TEM不安定性の成長率が不純物印可によって減少することを明らかにした。これらはトカマク装置におけるアルゴン入射実験で観測されている閉じ込め特性を定性的に再現していることから、構築した多粒子種乱流シミュレーションモデルの有効性が確認された。
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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
平成２６年度研究実施計画における達成目標は、1)多粒子種乱流シミュレーションモデルの開発と検証、2)ITERあるいはJT-60SAトカマクを見据えたイオンスケール乱流輸送シミュレーションの実施と実験との比較による定量予測性能の検証であった。1)については、多粒子種衝突モデルの開発と実装および数値的特性の検証が完了しており、燃焼プラズマ乱流解析に必要不可欠なシミュレーションモデルの構築が完了した。また、2)についても、実際のトカマク実験データに基づくITG-TEM乱流シミュレーション解析を実施することにより、実験結果と同程度のイオン及び電子熱輸送レベルを得るといった良好な定量予測性能が確認された。以上により、本研究課題は順調に進展していると言える。
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| Strategy for Future Research Activity |
次年度以降はITERやJT-60SAの実際のプラズマ形状を反映した燃料・不純物乱流輸送シミュレーションを進めながら、シミュレーションモデルの高度化に取り組む。具体的には、プラズマ回転の効果および径方向電場の効果を多粒子種乱流シミュレーションモデルに組み入れる拡張を行う。これらにより、プラズマの閉じ込め性能をより高性能化する際に重要な役割を果たすと考えられているプラズマ回転や局所加熱が、乱流輸送に対してどのような物理機構で影響を及ぼすしているかを解析することが可能となる。拡張したモデルについては、適切な条件を満たした実験データとの比較によってその妥当性や有効性の検証を行いながら本研究課題を進める。
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| Causes of Carryover |
平成２６年度においては、大規模乱流シミュレーションデータに関するバックアップ用の外部記憶メディアを購入予定であったが、シミュレーションモデル開発とその有効性検証のためのシミュレーション解析に注力したため、乱流シミュレーション規模は中規模程度に収まった。そのため、大型並列計算機に付随した記憶ディスクを有効活用することにより、平成２６年度内の購入予定分と次年度分とを合わせた効率的な予算執行を図ることとした。
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| Expenditure Plan for Carryover Budget |
次年度以降は、H２６年度に開発したシミュレーションモデルを用いた大規模乱流シミュレーションの実施を予定している。高解像度の５次元乱流シミュレーションから得られる計算データは膨大であり、大型並列計算機に付随した記憶ディスク容量では十分でないことが想定されるので、当初予定していた研究データバックアップ用の外部記憶メディア分と合わせて効率的に予算執行を行う。
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| Remarks |
第１０回核融合エネルギー連合講演会において若手優秀発表賞受賞：”ITER/DEMOを見据えた実平衡トカマクプラズマの第一原理乱流輸送シミュレーション”
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Research Products
(5 results)
