| 研究課題/領域番号 |
20K03909
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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 |
市口 勝治 核融合科学研究所, ヘリカル研究部, 教授 (90211739)
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| 研究期間 (年度) |
2020-04-01 – 2025-03-31
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| キーワード | 磁場閉じ込め核融合 / プラズマ / 電磁流体力学 / ヘリオトロン / 圧力駆動型モード / 非線形数値シミュレーション / 構造変化 / 非線形遷移 |
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| 研究実績の概要 |
2022年度は、2021年度まで行ってきた圧力駆動型モードの非線形遷移について拡張を行った。2021年度では、ヘリオトロン配位において正味トロイダル電流が流れた場合について、交換型モードから非共鳴の圧力駆動型モードへの非線形遷移が生じうることを示した。一方、ヘリオトロン配位である大型ヘリカル装置での実験では、トーラスプラズマの小半径を小さくしてアスペクト比を大きくした場合には、正味トロイダル電流を流さなくてもベータ値を上昇させた際に崩壊現象が観測されている。この場合においても、崩壊時の支配的な成分のモード数は(m,n)=(1,1)である。この観測結果は、モード数が大きいほど線形成長率が大きいという、圧力駆動型不安定性に対する線形理論では説明ができない。
そこで、この配位に対して、3次元MHD数値シミュレーションを行った。実験に対応する磁場配位を用い、ベータ値が2.4%、2.6%、3.2%、3.7%での、正味トロイダル電流のない三次元平衡をHINTコードを用いて計算した。そして、それぞれの平衡に対して、MIPSコードを用いて、摂動の時間発展を追跡した。その結果、どの平衡においても、線形領域では、典型的な交換型不安定性が支配的に成長した。しかし、非線形領域では、ベータ値によって様相が異なっている。ベータ値が2.6%以下の場合には、線形領域で支配的であった(2.2)成分が、そのまま支配的となり、全圧力の分布は横長に変形して崩壊する。これに対して、ベータ値が3.2%以上の場合には、支配的な成分が線形領域での(3,3)成分から(1,1)成分へと移行する。全圧力分布においても、コア領域が一方向へシフトする変形を伴った崩壊が見られた。この結果は、アスペクト比が大きい場合には、ベータ値が高くなると高モード数の交換型モードから(1,1)成分への非線形遷移が生じ得ることを示唆している。
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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
大型ヘリカル装置の実験では、正味トロイダル電流を回転変換が増加する方向に流した場合と、プラズマ小半径を小さくしてアスペクト比を大きくした場合に、部分的な崩壊現象が観測されている。これは、圧力駆動型モードによって引き起こされていると考えられるが、その線形理論では、モード数が大きいほど線形成長率が大きいことが知られている。これに対し、実験では、崩壊現象を引き起こしている不安定性の支配的なモード成分として、最も小さい値である(m,n)=(1,1)成分が観測されており、その理由は大きな謎であった。ここまでの本研究課題での解析においては、両方の崩壊現象の数値シミュレーションを行い、どちらの場合においても、高モード数の交換型モードから支配的な成分が(1,1)である非共鳴モードへの非線形遷移が生じうることを見出した。すなわち、2つの異なる放電条件での崩壊現象で観測されている性質を統一的に説明しうる結果を得たことになる。このことから、研究がおおむね順調に進展していると判断している。
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| 今後の研究の推進方策 |
まだ取り入れらていない効果として、巨視的なフローの効果がある。大型ヘリカル装置の実験では、崩壊現象が生じる際には、それまで回転していたプラズマが静止することが観測されている。したがって、この現象のメカニズムを解明することは非常に興味深い。ただし、巨視的フローを含む三次元平衡計算の手法はまだ確立されていない。しかし、別の研究課題において、フローを導入したシミュレーション手法を開発しつつあるので、そちらの手法を用いた解析を推進する。すなわち、この研究課題でこれまで得られてきている非線形遷移のシミュレーションにこの巨視的フローの効果を加味して、非線形遷移にどのような影響が現れるのかを解析する。さらに、観測されている回転の停止のメカニズムの解明も視野に入れている。その候補の一つとして、微小な誤差磁場による磁気面の乱れが考えられる。幸いHINTコードでは、このような磁気面の乱れを含んだ三次元平衡を計算することができるので、今後、モデル的に誤差磁場を印加した平衡を構築し、その平衡に対して巨視的フローを含む非線形ダイナミクスシミュレーションを行うことによって、誤差磁場がプラズマ回転や非線形遷移に対して与える影響を系統的に解明する。
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| 次年度使用額が生じた理由 |
新型コロナウィルスの国際的な蔓延のため、現地開催であった国際会議への出席を断念したこと、および、オンライン会議に変更となった国際会議に出席し招待講演を行ったことにより、計上していた海外渡航費が不要となった。次年度にはパンデミックが収束することを期待しつつ、予算が有効に利用できるよう検討を進めている。
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