| 研究課題/領域番号 |
18H01202
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| 研究機関 | 核融合科学研究所 |
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研究代表者 |
鈴木 康浩 核融合科学研究所, ヘリカル研究部, 准教授 (20397558)
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| 研究分担者 |
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)
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| 研究期間 (年度) |
2018-04-01 – 2023-03-31
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| キーワード | 核融合プラズマ / 不純物輸送 / 拡張MHD |
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| 研究実績の概要 |
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。
平成31年度・令和元年度は、革新的反復スキームの改良を進め、不純物ペレットによる局所的な輻射による温度低下を再現できるモデルを開発した。このモデルをまずは水素ペレット入射に適用し、水素ペレット入射が3次元的に広がる輻射損失領域を形成し、MHD不安定性が駆動されることを確認した。このとき、ペレット入射により駆動されたMHD不安定性が、磁気島による構造形成を行うことがわかった。
また、元々の拡張MHDコードが断熱条件を仮定した圧力と質量密度を解く方程式系だったので、温度と密度を解く方程式系に変更し、かつ局所的な輻射損失項を含める形に変更した。
実験的検証においても、軟X線輻射計測器を開発し、不純物の2次元分布再構築を行えるようトモグラフィー手法の開発を進めた。
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| 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
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。
平成31年・令和元年度は、以下の3点について研究を進めた。
1. これまでLHDプラズマの不安定性計算に用いられてきた非線形3次元（3D）拡張MHDコードMIPSを、不純物分布の寄与を含めるよう改良を続けた。昨年度に開発した不純物輻射モデルを改良し高Z不純物の輻射による寄与を含めるための開発を行った。連続の式に不純物による密度変化を繰り込む改良も継続している。平成31年・令和元年度は、電気抵抗の式に、不純物による局所的な温度変化と、改良した連続の式から得られる実効電荷数Zeffの効果の影響を取り込み、磁場構造の変化を考察した。
2. 実験結果をよく再現した平衡計算を追加で行い、改良版MIPSコードによる非線形計算を行い、非線形飽和解を得た。このとき、不純物の分布と輸送係数は実験解析から得られたものを使用した。
3. LHD実験において、準定常プラズマに不純物ペレットを入射する不純物輸送実験を行った。このとき、高時間・空間分解2次元輻射分布計測装置を使用し、不純物の2次元分布の観測を行った。
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| 今後の研究の推進方策 |
令和2年度は、平成31年・令和元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2年度は、以下の3点について研究を進める。
1. 平成31年・令和元年度まで続けてきた3次元拡張MHDコードの改良を引き続き進める。電気抵抗の分布は磁気面量の関数として与えてきたが、磁気面から大きくずれた分布を持つ不純物輻射による局所的な温度変化を考慮し、3次元グリッド上で定義された温度の関数として電気抵抗を取り込めるよう改良を進める。改良したコードで非線形計算を行い、飽和解を得る。
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。輸送係数は実験解析から得られたものを使用する。
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。
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