拡張MHDコードを取り入れた革新的不純物輸送解析スキームの開発と実験的検証

• Project/Area Number: 18H01202
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research (B)
• Allocation Type: Single-year Grants
• Section: 一般
• Review Section: Basic Section 14020:Nuclear fusion-related
• Research Institution: Hiroshima University (2020-2022); National Institute for Fusion Science (2018-2019)
• Principal Investigator: 鈴木 康浩 広島大学, 先進理工系科学研究科(工), 教授 (20397558)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 沼波 政倫 核融合科学研究所, ヘリカル研究部, 准教授 (40397203) ; 田村 直樹 核融合科学研究所, ヘリカル研究部, 准教授 (80390631)
• Project Period (FY): 2018-04-01 – 2023-03-31
• Project Status: Granted (Fiscal Year 2022)
• Budget Amount: ¥16,380,000 (Direct Cost: ¥12,600,000、Indirect Cost: ¥3,780,000); Fiscal Year 2022: ¥1,300,000 (Direct Cost: ¥1,000,000、Indirect Cost: ¥300,000); Fiscal Year 2021: ¥1,300,000 (Direct Cost: ¥1,000,000、Indirect Cost: ¥300,000); Fiscal Year 2020: ¥1,300,000 (Direct Cost: ¥1,000,000、Indirect Cost: ¥300,000); Fiscal Year 2019: ¥5,460,000 (Direct Cost: ¥4,200,000、Indirect Cost: ¥1,260,000); Fiscal Year 2018: ¥7,020,000 (Direct Cost: ¥5,400,000、Indirect Cost: ¥1,620,000)
• Keywords: 不純物輸送 / 数値シミュレーション / 拡張MHD / 輻射計測 / 核融合プラズマ

Outline of Annual Research Achievements

これまで、不純物輸送に関して多くの理論的研究・大規模数値シミュレーションが行われたが、輸送された不純物がどのようにプラズマ中に蓄積されるかは明らかになっていない。また、実験でしばしば観測される、磁場構造に依存する不純物蓄積の増大や遮蔽のメカニズムも明らかになっていない。そこで本研究では、不純物分布を考慮した拡張MHDコードとジャイロ運動論・新古典輸送理論に基づく局所輸送コードを統合して反復的に解を求める革新的スキームを開発し、プラズマ中の不純物輸送を考察する。同時に、不純物入射装置と局所的な不純物蓄積も観測できる新しい2次元輻射計測を活用した不純物輸送実験を行い、シミュレーションモデルの検証と妥当性確認を行う。このことにより、プラズマ中の不純物がどのようにプラズマ中で輸送され、どこへどのように蓄積されるか明らかにする。
令和3年度は、引き続き革新的反復スキームの改良を進めた。不純物ペレットによる局所的な輻射による温度低下が引き起こす電気抵抗の変化を計算に繰り込めるように、電気抵抗の3次元分布を取り込めるように改良した。しかし、急峻な抵抗値の変化が計算に与える影響を完全に除去できておらず、引き続き改良を進める必要があることが分かった。反復スキームの計算においては、実験をうまく再現できる平衡を初期値とした反復計算を行ったが、パラメータの取り方によっては計算がうまく収束しなかった。この点を改良するために散逸パラメータの取り方など、計算手順の最適を進めた。LHD実験において、不純物入射による不純物スネークの発現を目指した実験を行った。不純物スネークは発現しなかったが、不純物スネークが発現するであろうパラメータ空間を同定することが出来た。

Current Status of Research Progress

2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.

Reason

本研究では、グローバルな背景プラズマ分布の変化と磁場構造の影響を、拡張MHDコードに不純物分布を取り込むことで世界で初めて再現し、拡張MHDコードの結果を初期値としてジャイロ運動論・新古典輸送理論の局所モデルシミュレーションを行う、新しい革新的マルチスケール反復スキーム開発を行っている。新しい革新的反復スキームで得られたシミュレーション結果は、LHD実験と詳細に比較し検証と妥当性確認を行う。不純物分布が、磁気面形状と大きく離れることも考慮し、輻射分布計測器を新しく開発し、不純物入射装置を活用した不純物輸送実験を行った。
令和3年度は、以下の3点について研究を進めた。
1.　電気抵抗の分布を磁気面量ではなく、温度の関数として3次元的な分布を持つ事ができるよう改良を進めた。しかし、場合によっては電気抵抗値が小さい領域で正しく計算ができない状態が発現した。そこで、不純物分布を反映した電気抵抗の3次元分布も考慮しつつ、計算が完全に終了するよう電気抵抗に調整を加える機能を追加した。
2.　実験結果をよく再現した平衡を計算し、反復スキームにより改良版MIPSコードの非線形計算と運動論計算を結合した。昨年度は、輸送係数は実験解析から得られたものを使用したが、計測結果と大きく異なる結果が得られる場合があったため、幅広くパラメータスキャンを行うことで、パラメータ領域の同定を行った。
3.　LHD実験において、不純物入射実験を行い、磁気面から大きくずれた不純物分布を持つ不純物スネークを LHD実験で発現させる事を目指した。入射する不純物の量、加熱パワーのスキャン等を行い、不純物スネークの発現領域を同定する事を目指した。

Strategy for Future Research Activity

令和4年度は、令和3年度に引き続き拡張MHDコードの改良と、ジャイロ運動論・新古典輸送理論コードとの結合による反復スキームの開発を進める。新し い革新的反復スキームで得られたシミュレーション結果は、LHD実験と詳細に比較し、検証と妥当性確認を行う。不純物分布が、磁気面形状と大きく離れることも考慮し、輻射分布計測器を新しく開発し、不純物入射装置を活用した不純物輸送実験を行う。
令和4年度は、以下の3点について研究を進める。
1.　電気抵抗の分布を磁気面量ではなく、温度の関数として3次元的な分布を持つ事ができるよう引き続き改良を進める。より数値的に安定な陰的スキームを開発し、抵抗分布にかかわらず計算を進められるようにコードの改良を進める。
2　実験結果をよく再現した平衡計算を計算し、反復スキームにより改良版MIPSコードの非線形計算と運動論計算を結合する。令和3年度に進めたパラメータ領域の同定を踏まえ、再度計算を進める。
3.　LHD実験において、不純物入射実験を行い、磁気面から大きくずれた不純物分布を持つ不純物スネークをLHD実験で発現させ、開発した高時間・空間分解2次元輻射分布計測装置での観測を目指す。そこで、令和4年度は、共鳴磁場摂動により磁気島構造をあらかじめ作り出し、そこに不純物を入射することで等価的な不純物スネークを作り出す実験を実施する。また、LHD実験のみならず、他の実験装置でも同様の実験を実施する。

Research Products

• [Int'l Joint Research] Polytechnic University of Catalonia(スペイン)
• [Int'l Joint Research] Max-Planck-Institut fuer Plasmaphysik/Forschungszentrum Juelich(ドイツ)
• [Int'l Joint Research] Institute for Plasma Research(インド)
• [Int'l Joint Research] Max-Planck-Institut fuer Plasmaphysik/Forschungszentrum Juelich(ドイツ)
• [Int'l Joint Research] Universidad Politecnica de Catalunia(スペイン)
• [Int'l Joint Research] University of Wisconsin-Madison(米国)
• [Int'l Joint Research] ジェネラルアトミクス社/ウィスコンシン州立大学マディソン校(米国)
• [Int'l Joint Research] マックスプランク・プラズマ物理研究所/ユーリッヒ中央研究機構(ドイツ)
• [Int'l Joint Research] RFXコンソーシアム(イタリア)
• [Int'l Joint Research] エネルギー環境技術センター(スペイン)
• [Int'l Joint Research] マックスプランク・プラズマ物理研究所/ユーリッヒ中央研究機構(ドイツ)
• [Int'l Joint Research] ウィスコンシン州立大学・マディソン校/ジェネラルアトミクス社(米国)
• [Journal Article] Nonlinear MHD simulation of core plasma collapse events in Wendelstein 7-X (2021)
  • Author(s): Suzuki Yasuhiro、Futatani Shimpei、Geiger Joachim
  • Journal Title: Plasma Physics and Controlled Fusion Volume: 63 Pages: 124009-124009
  • DOI: 10.1088/1361-6587/ac3499
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Effect of pressure profile on stochasticity of magnetic field in a conventional stellarator (2020)
  • Author(s): Suzuki Yasuhiro
  • Journal Title: Plasma Physics and Controlled Fusion Volume: 62 Pages: 104001-104001
  • DOI: 10.1088/1361-6587/ab9a13
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Theoretical studies of equilibrium beta limit in LHD plasmas (2020)
  • Author(s): Suzuki Y.、Watanabe K. Y.、Sakakibara S.
  • Journal Title: Physics of Plasmas Volume: 27 Pages: 102502-102502
  • DOI: 10.1063/5.0015106
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] New tomographic reconstruction technique based on Laplacian eigenfunction (2020)
  • Author(s): SUZUKI Yasuhiro、PUROHIT Shishir、OHDACHI Satoshi、YAMAMOTO Satoshi、NAGASAKI Kazunobu
  • Journal Title: Plasma Science and Technology Volume: 22 Pages: 102002-102002
  • DOI: 10.1088/2058-6272/aba185
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Direct measurements of internal structures of born-locked modes and the key role in triggering tokamak disruptions (2019)
  • Author(s): Du X. D.、Shafer M. W.、Hu Q. M.、Evans T. E.、Strait E. J.、Ohdachi S.、Suzuki Y.
  • Journal Title: Physics of Plasmas Volume: 26 Pages: 042505-042505
  • DOI: 10.1063/1.5085329
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Magnetic field topology modeling under resonant magnetic perturbations on EAST (2019)
  • Author(s): HUANG Jie、SUZUKI Yasuhiro、LIANG Yunfeng、JIA Manni、SUN Youwen、CHU Nan、XU Jichan、WU Muquan、EAST team
  • Journal Title: Plasma Science and Technology Volume: 21 Pages: 065105-065105
  • DOI: 10.1088/2058-6272/ab0d35
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Non-linear magnetohydrodynamic simulations of plasma instabilities from pellet injection in Large Helical Device plasma (2019)
  • Author(s): Futatani Shimpei、Suzuki Yasuhiro
  • Journal Title: Plasma Physics and Controlled Fusion Volume: 61 Pages: 095014-095014
  • DOI: 10.1088/1361-6587/ab34aa
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Soft x-ray tomographic reconstruction of Heliotron J plasma for the study of magnetohydrodynamic equilibrium and stability (2019)
  • Author(s): PUROHIT S、SUZUKI Y、OHDACHI S、YAMAMOTO S
  • Journal Title: Plasma Science and Technology Volume: 21 Pages: 065102-065102
  • DOI: 10.1088/2058-6272/ab0846
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Tomographic Inversion Technique Using Orthogonal Basis Patterns (2019)
  • Author(s): OHDACHI Satoshi、YAMAMOTO Satoshi、SUZUKI Yasuhiro、PUROHIT Shishir、IWAMA Naofumi
  • Journal Title: Plasma and Fusion Research Volume: 14 Pages: 3402087-3402087
  • DOI: 10.1585/pfr.14.3402087
  • NAID: 130007663770
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] A novel approach to studying transport in plasmas with magnetic islands (2018)
  • Author(s): Auriemma F.、Lopez-Bruna D.、Lorenzini R.、Momo B.、Predebon I.、Suzuki Y.、Lopez-Fraguas A.、Narushima Y.、Sattin F.、Terranova D.、Zhang Y.
  • Journal Title: Nuclear Fusion Volume: 58 Pages: 096037-096037
  • DOI: 10.1088/1741-4326/aad13f
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Flux-surface averaged radial transport in toroidal plasmas with magnetic islands (2018)
  • Author(s): Lopez-Bruna D.、Momo B.、Predebon I.、Lopez-Fraguas A.、Auriemma F.、Suzuki Y.、Lorenzini R.
  • Journal Title: Nuclear Fusion Volume: 58 Pages: 106031-106031
  • DOI: 10.1088/1741-4326/aad701
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Improved design for Heliotron J soft X-ray diagnostic for tomographic reconstruction studies (2018)
  • Author(s): Purohit S.、Suzuki Y.、Ohdachi S.、Yamamoto S.
  • Journal Title: Review of Scientific Instruments Volume: 89
  • DOI: 10.1063/1.5038953
  • Peer Reviewed
• [Presentation] Development of 3D equilibrium and advanced magnetic configurations (2021)
  • Author(s): Yasuhiro Suzuki
  • Organizer: Stochasticity in Fusion Plasma
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Spontaneous transition improving particle confinement in high-beta plasmas of Large Helical Device (2021)
  • Author(s): Yasuhiro Suzuki
  • Organizer: 47th EPS Conference on Plasma Physics
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Improved particle confinement in the L-H transition in the 3D magnetic field (2021)
  • Author(s): Yasuhiro Suzuki
  • Organizer: AAPPS-DPP2021
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Development of 3D equilibrium code and its application to stellarators (2021)
  • Author(s): Yasuhiro Suzuki
  • Organizer: 2nd Fusion HPC Workshop
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Nonlinear MHD simulation of core plasma collapse events in stellarators (2020)
  • Author(s): Yasuhiro Suzuki
  • Organizer: 1st Spanish Fusion HPC Workshop
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Design of New Tokamak-Stellarator Hybrid (2019)
  • Author(s): Yasuhiro Suzuki
  • Organizer: 9th Stochasticity in Fusion Plasmas
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Anisotropic heat diffusion on stochastic magnetic fields (2018)
  • Author(s): Suzuki Yasuhiro
  • Organizer: 45th European Physical Society Conference on Plasma Physics
  • Int'l Joint Research