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2017 年度 実施状況報告書

核融合プラズマ新古典・乱流輸送に対する予測性能の高度化

研究課題

研究課題/領域番号 16K06941
研究機関核融合科学研究所

研究代表者

洲鎌 英雄  核融合科学研究所, ヘリカル研究部, 教授 (80202125)

研究分担者 佐竹 真介  核融合科学研究所, ヘリカル研究部, 准教授 (70390630)
沼波 政倫  核融合科学研究所, ヘリカル研究部, 准教授 (40397203)
登田 慎一郎  核融合科学研究所, ヘリカル研究部, 准教授 (60332186)
研究期間 (年度) 2016-04-01 – 2020-03-31
キーワードプラズマ核融合 / 理論シミュレーション / 新古典輸送 / 乱流輸送 / ジャイロ運動論
研究実績の概要

変分原理(ジャイロ運動論的場の理論)に基づき、イオン熱速度程度のトロイダルフローの存在する軸対称トーラスプラズマにおける粒子分布関数と電磁場の支配方程式を導き、拡張されたネーターの定理を用いて衝突の効果を含めた場合の粒子・熱・運動量保存則を導き、それらの保存則には、従来の古典・新古典および乱流輸送フラックスが含まれていることを示した。また新たに非軸対称トーラス系を含む一般的な磁場配位に対するドリフト運動論的方程式が満足する運動量保存則を変分原理により導出した。
LHDにおける多イオン種プラズマ中の不純物イオン粒子輸送過程を新古典輸送シミュレーションにより調べた。準線形ジャイロ運動論解析による不純物イオンの乱流粒子輸送は小半径方向内向きであるが、十分大きな外部モーメンタムソースが存在すると、両極性粒子拡散条件により、正の小半径方向電場(電子ルート)が生じ、不純物イオンの新古典粒子輸送が、小半径方向外向きになることが明らかになった。
イオン温度勾配(ITG)モードが不安定な高イオン温度LHDプラズマに対して、運動論的電子の効果を含めた非線形ジャイロ運動論的シミュレーションを実行し、乱流イオン熱拡散係数を計算した。捕捉電子の効果のため、周辺領域において、ゾーナルフローの減衰時間が減少し、乱流イオン熱輸送は増加することが確認された。乱流イオン熱拡散係数を求めるための計算コストを減らすため、ITGモードの線形不安定解析とゾーナルフローの線形応答解析の結果を用いた乱流イオン熱拡散係数の簡約化モデルを、運動論的電子の効果を含めた場合に拡張した。

現在までの達成度 (区分)
現在までの達成度 (区分)

2: おおむね順調に進展している

理由

変分原理に基づく衝突・乱流輸送理論の定式化が進展するとともに、LHDにおける不純物輸送に対する外部モーメンタムトルクの効果の解析がなされ、不純物輸送に関する新たな知見が得られた。また、ヘリカルプラズマにおける運動論的電子効果を含んだジャイロ運動論的解析に基づき、乱流イオン熱拡散係数に対する簡約化モデルの拡張が進められた。
以上の研究成果は、Reviews of Modern Plasma Physics や Plasma and Fusion Research 等の学術雑誌に掲載され、1st Asia-Pacific Conference on Plasma Physics の招待講演や 7th Asia Pacific Transport Working Group (APTWG2017) International Conference、21st International Stellarator-Heliotron Workshop (ISHW2017)、59th Annual Meeting of the Division of Plasma Physics of the American Physical Society、26th International Toki Conference & 11th Asia Plasma and Fusion Association Conference等の主要な国際会議において発表された。

今後の研究の推進方策

非軸対称トーラス系を含む一般的な磁場配位に対する運動論的方程式が満足する運動量保存則の変分原理による導出をドリフト運動論からジャイロ運動論の場合まで拡張を行う。
統合輸送コードへ適用するため、ジャイロ運動論的シミュレーション結果に基づく輸送モデルの拡張を進め、線形および準線形理論やゾーナルフロー応答解析を利用することによるイオンおよび電子熱輸送や粒子輸送の高速計算手法の構築と拡張を目指す。
両極性粒子拡散条件に対して、外部トルクによる電流の効果を新たに考慮することによって、不純物イオンを含む多種イオンおよび電子の新古典・乱流輸送シミュレーションとLHD等の実験結果との定量的比較をさらに進展させ、不純物輸送やイオン同位体効果の物理機構の理解を深める。

次年度使用額が生じた理由

当初の見込みより少ない物品費用により、研究計画を遂行することが可能となったため。次年度の研究計画遂行に必要な物品費等に使用する計画である。

  • 研究成果

    (21件)

すべて 2018 2017 その他

すべて 国際共同研究 (1件) 雑誌論文 (3件) (うち査読あり 3件、 オープンアクセス 3件) 学会発表 (16件) (うち国際学会 12件、 招待講演 3件) 備考 (1件)

  • [国際共同研究] CIEMAT(Spain)

    • 国名
      スペイン
    • 外国機関名
      CIEMAT
  • [雑誌論文] Modern gyrokinetic formulation of collisional and turbulent transport in toroidally rotating plasmas2017

    • 著者名/発表者名
      H. Sugama
    • 雑誌名

      Reviews of Modern Plasma Physics

      巻: 1:9 ページ: 1-73

    • DOI

      10.1007/s41614-017-0010-5

    • 査読あり / オープンアクセス
  • [雑誌論文] Impacts of External Momentum Torque on Impurity Particle Transport in LHD2017

    • 著者名/発表者名
      M. Nunami, M. Sato, M. Nakata, S. Toda, H. Sugama, M. Yokoyama, H. Yamaguchi
    • 雑誌名

      Plasma and Fusion Research

      巻: 12 ページ: 1203039-1-3

    • DOI

      10.1585/pfr.12.1203039

    • 査読あり / オープンアクセス
  • [雑誌論文] A Reduced Transport Model for Ion Heat Diffusivity by Gyro-Kinetic Analysis with Kinetic Electrons in Helical Plasmas2017

    • 著者名/発表者名
      S. Toda, M. Nakata, M. Nunami, A. Ishizawa, T.-H. Watanabe, H. Sugama
    • 雑誌名

      Plasma and Fusion Research

      巻: 12 ページ: 1303035-1-5

    • DOI

      10.1585/pfr.12.1303035

    • 査読あり / オープンアクセス
  • [学会発表] ドリフト運動論における運動量バランス方程式の変分原理による導出2018

    • 著者名/発表者名
      洲鎌英雄, 沼波政倫, 仲田資季, 佐竹真介, 菅野龍太郎, 渡邉智彦
    • 学会等名
      日本物理学会, 第73回年次大会
  • [学会発表] 不純物粒子輸送のジャイロ運動論的シミュレーション研究2018

    • 著者名/発表者名
      沼波政倫, 仲田資季, 登田慎一郎, 洲鎌英雄
    • 学会等名
      日本物理学会, 第73回年次大会
  • [学会発表] Gyrokinetic formulation to derive conservation laws for collisional and turbulent transport of particles, energy, and toroidal momentum2017

    • 著者名/発表者名
      H. Sugama
    • 学会等名
      7th Asia Pacific Transport Working Group (APTWG2017) International Conference
    • 国際学会
  • [学会発表] Microinstability and Turbulent Transport of Multi-ion-species Plasmas in Helical System2017

    • 著者名/発表者名
      M. Nunami
    • 学会等名
      7th Asia Pacific Transport Working Group (APTWG2017) International Conference
    • 国際学会
  • [学会発表] Reduced transport models for the dynamical simulation by the gyro-kinetic analysis with kinetic electrons in helical plasmas2017

    • 著者名/発表者名
      S. Toda
    • 学会等名
      7th Asia Pacific Transport Working Group (APTWG2017) International Conference
    • 国際学会
  • [学会発表] Extension of gyrokinetic field theory2017

    • 著者名/発表者名
      H. Sugama
    • 学会等名
      1st Asia-Pacific Conference on Plasma Physics
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] Pressure Tensors in Magnetized Plasmas2017

    • 著者名/発表者名
      H. Sugama
    • 学会等名
      21st International Stellarator-Heliotron Workshop (ISHW2017)
    • 国際学会
  • [学会発表] Simulation studies for neoclassical and turbulent transport of impurities in LHD plasmas2017

    • 著者名/発表者名
      M. Nunami
    • 学会等名
      21st International Stellarator-Heliotron Workshop (ISHW2017)
    • 国際学会
  • [学会発表] Benchmark of bootstrap current calculations in multi-ion species helical plasmas2017

    • 著者名/発表者名
      S. Satake, S. Satake, M. Sato, M. Yokoyama, H. Sugama, S. Nishimura, K. Nishioka, Y. Nakamura, J. L. Velasco, I. Calvo, and the LHD team
    • 学会等名
      21st International Stellarator-Heliotron Workshop (ISHW2017)
    • 国際学会
  • [学会発表] Reduced model for electron and ion heat diffusivities by gyro-kinetic simulation with kinetic electrons in helical plasmas2017

    • 著者名/発表者名
      S. Toda
    • 学会等名
      59th Annual Meeting of the Division of Plasma Physics of the American Physical Society
    • 国際学会
  • [学会発表] Derivation of pressure tensors based on the variational principle2017

    • 著者名/発表者名
      H. Sugama
    • 学会等名
      26th International Toki Conference - New era in Plasma and Fusion Research - and 11th Asia Plasma and Fusion Association Conference
    • 国際学会
  • [学会発表] Simulation studies for neoclassical and turbulent transport of impurities in LHD plasmas2017

    • 著者名/発表者名
      M. Nunami
    • 学会等名
      26th International Toki Conference - New era in Plasma and Fusion Research - and 11th Asia Plasma and Fusion Association Conference
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] Benchmark of bootstrap current calculations in multi-ion species helical plasmas2017

    • 著者名/発表者名
      S. Satake, M. Sato, M. Yokoyama, H. Sugama, S. Nishimura, K. Nishioka, Y. Nakamura, J. L. Velasco, and I. Calvo
    • 学会等名
      26th International Toki Conference - New era in Plasma and Fusion Research - and 11th Asia Plasma and Fusion Association Conference
    • 国際学会
  • [学会発表] Reduced models for turbulent transport by gyro-kinetic simulation with kinetic electron in helical plasmas2017

    • 著者名/発表者名
      S. Toda
    • 学会等名
      26th International Toki Conference - New era in Plasma and Fusion Research - and 11th Asia Plasma and Fusion Association Conference
    • 国際学会
  • [学会発表] 新古典乱流輸送の理論シミュレーション研究2017

    • 著者名/発表者名
      洲鎌英雄
    • 学会等名
      Plasma Conference 2017
  • [学会発表] 複数粒子種プラズマ輸送の運動論的シミュレーション研究2017

    • 著者名/発表者名
      沼波政倫, 仲田資季, 佐藤雅彦, 登田慎一郎, 洲鎌英雄, 横山雅之, 山口裕之
    • 学会等名
      Plasma Conference 2017
    • 招待講演
  • [備考] 数値実験炉研究プロジェクト 研究活動 新古典・乱流輸送シミュレーショングループ

    • URL

      http://nsrp.nifs.ac.jp/activity/activity04.html

URL: 

公開日: 2018-12-17  

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