大域的第一原理モデルによる3次元磁場プラズマの乱流・新古典輸送相互作用の解明

• 研究課題/領域番号: 23K03364
• 研究種目: 基盤研究(C)
• 配分区分: 基金
• 応募区分: 一般
• 審査区分: 小区分14020:核融合学関連
• 研究機関: 核融合科学研究所
• 研究代表者: 松岡 清吉 核融合科学研究所, 研究部, 助教 (10609986)
• 研究期間 (年度): 2023-04-01 – 2026-03-31
• 研究課題ステータス: 交付 (2023年度)
• 配分額: 4,550千円 (直接経費: 3,500千円、間接経費: 1,050千円); 2025年度: 1,430千円 (直接経費: 1,100千円、間接経費: 330千円); 2024年度: 1,300千円 (直接経費: 1,000千円、間接経費: 300千円); 2023年度: 1,820千円 (直接経費: 1,400千円、間接経費: 420千円)
• キーワード: 核融合 / 3次元磁場 / 第一原理シミュレーション / 大域的輸送 / 乱流輸送 / 新古典輸送 / ジャイロ運動論 / プラズマ乱流 / 第一原理モデル / 大域的シミュレーション

研究開始時の研究の概要

磁場閉じ込めプラズマにおける輸送機構として、衝突に起因する新古典輸送と微視的乱流が駆動する乱流輸送が存在する。従来これらは個別に評価・議論されてきたが、近年、2次元磁場プラズマにおいて乱流輸送が新古典輸送を駆動する新たな輸送チャンネルの存在が示唆され注目されている。
本研究では、3次元磁場閉じ込めプラズマを対象として、第一原理に基づく大域的5次元乱流・新古典輸送シミュレーション研究を実施し、未開拓領域となっている3次元磁場プラズマにおける乱流・新古典相互作用について探求するとともにその物理機構を明らかにする。

研究実績の概要

核融合磁場閉じ込めプラズマにおける輸送機構として、粒子間衝突による新古典輸送と微視的乱流に起因する乱流輸送があり、両者はこれまでスケール分離が成立するとの観点から個別に評価・検討されてきた。しかし、近年、2次元的な軸対称磁場をもつトカマクにおいて、両者が相互作用する結果が示されており、従来的なスケール分離の妥当性や高精度な輸送評価の観点から注目されている。本研究課題では、上述の新古典・乱流輸送相互作用について、特に新古典輸送がトカマクに比べて相対的に大きくなりうるステラレータ型の3次元磁場閉じ込め装置を対象として、スケール分離を仮定しない大域的full-fジャイロ運動論コードによる第一原理シミュレーションによって検証を行い、その物理機構を明らかにすることを目的としている。
令和５年度は、3次元磁場プラズマにおける径電場を介した二種の輸送の相互作用を検証するための準備研究として、解析的3次元磁場配位を対象とした線形乱流輸送の解析を行った。プラズマパラメータを変えた計算を行い、その結果、大域的乱流輸送シミュレーションでは局所解析では見られない乱流の特異な振る舞いが見られることが明らかになった。今後、これらの乱流の大域的効果による振る舞いが、新古典輸送及び径電場にどう影響を及ぼすかについて詳細に調べるとともに、シミュレーションを多粒子系へと適用することで、燃料イオン・電子と不純物のバランスを考慮した径電場とそれによる輸送への影響についても検証する。

現在までの達成度 (区分)

4: 遅れている

理由

今年度の当初予定では、大域的full-fジャイロ運動論コードであるGT5Dを用いて3次元磁場プラズマに対する非線形乱流シミュレーションを行う予定としていた。しかし、計算の実施や結果の解析のためのポスト処理実装の検討に困難があったため、遅れが生じることとなった。

今後の研究の推進方策

今後、まずは新古典輸送解析の高精度化・多粒子化を目的として、改良型の線形多粒子モデル衝突項の実装を行い、燃料イオンに加えて、より衝突周波数の高くなる不純物イオンの新古典輸送について高精度な新古典輸送評価を可能とするようコードの拡張を行う。また、局所乱流解析コードと1次元輸送方程式の連成シミュレーションによる大域的輸送解析を併せて実施し、新古典・乱流輸送が共存する系でのプラズマの振る舞いや輸送特性について検証を行う。これらにより、次年度以降に実施する予定としている3次元磁場プラズマにおける新古典・乱流輸送の径電場を介した相互作用解析を行うための準備を進めていく。