研究課題
将来の核融合炉として期待されるトカマク型プラズマ閉じ込め装置では、誘導起電力によって直接トロイダル電流を駆動するため、発電炉としては定常運転ではなく、パルス運転になってしまうことが危惧されている。そこで、非誘導電流を定常的に維持するための方法の一つとして、交流電圧印加による磁気ヘリシティ入射で電流を駆動する研究が注目を集めている。しかし、電流駆動効率を決める要因が理論的に明らかではなく、本研究ではその基本的な物理を解明することを目的としている。本年度は、円柱プラズマ(直線トカマク)に対して交流電圧を用いた磁気ヘリシティ入射を行う直接数値シミュレーションコードを開発した。半径方向にはコンパクト差分法、方位角方向と軸方向にはスペクトル法を用い、時間発展には半陰解法を用いた。境界条件として電圧を印加しなければならないため、磁場の代わりにベクトルポテンシャルを用いた定式化やゲージの選び方に特別な工夫が必要となった。現在の所、支配方程式としては非圧縮の抵抗性MHD方程式を解けるような計算コードになっている。Lundquist数が10の4乗程度以上であれば、テイラー緩和理論が予測するような緩和状態が円柱プラズマの内部で形成されることを数値的に確認した。ただし、適度なガイド磁場が存在している必要があることがわかった。具体的には、ガイド磁場が弱すぎるとテイラー緩和状態が頻繁に壊れてしまい、ガイド磁場が強すぎると磁気ヘリシティが内部まで侵入できないことがわかった。定量的な理論予測は現在進行中だが、単純なヘリシティバランスを仮定することによって、ある程度数値計算結果を説明できる理論予測式を得ることに成功している。
2: おおむね順調に進展している
シミュレーションコードの開発が計画通りに進んでおり、計算結果も徐々に出るようになってきた。
今後は圧縮性効果や二流体効果をとり入れた拡張MHDモデルを解くように計算コードを改良していく。また、計算機資源がまだ十分になかった時代に提唱された様々なダイナモ理論や準線形理論、乱流輸送モデルが、どの程度正しいものなのかを直接数値シミュレーションによって検証する予定である。
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すべて 国際共同研究 (1件) 雑誌論文 (3件) (うち国際共著 1件、 査読あり 2件、 謝辞記載あり 1件) 学会発表 (5件) (うち国際学会 3件、 招待講演 1件)
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