| 研究課題/領域番号 |
24760703
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| 研究種目 |
若手研究(B)
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| 研究機関 | 九州大学 |
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研究代表者 |
糟谷 直宏 九州大学, 応用力学研究所, 准教授 (20390635)
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| 研究期間 (年度) |
2012-04-01 – 2016-03-31
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| キーワード | プラズマ・核融合 / 磁場閉じ込め / 乱流 / トーラス / 数値診断 |
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| 研究概要 |
本研究はトロイダル磁場閉じ込めプラズマにおける乱流構造形成機構とその輸送への寄与の定量的理解を目的とする。乱流輸送過程の理解のためにはプラズマ中に存在する巨視的モード、メゾスケール構造、微視的乱流のダイナミクスを同時に同定することが重要であるので、それらを含んだプラズマ乱流の大域的シミュレーションを行う。特に本研究ではヘリカルプラズマという３次元的に磁場が分布する系で、微視的乱流が自己無撞着に形成する乱流構造の様相を探るために、３次元平衡磁場配位を取り込んだジャイロ流体モデルを用いたシミュレーションを行う。本年度は既存のヘリカルプラズマにおけるドリフト交換型モード乱流コードを用いて、動的なモード結合の様相を明らかにするために、プラズマ中心部のソースに周期的変化を加えて圧力分布の応答をみるシミュレーションを行った。圧力ソース項を与えて維持した飽和状態において、ポロイダルモード数の小さいモードが不安定化し、モード間の非線形結合が飽和状態をもたらしている。そのような飽和状態に対してソース変調を加えた。ソース変調に対する特徴的な変化は揺動の中に埋もれているが、応答の繰り返しを平均することで明らかになる。圧力揺動の変化は異なる半径位置で同時に起こり、増加率も同等であった。揺動の2点2時刻相関解析からわかる径方向に広がったモード結合が介在して引き起こされる、広い半径領域で広い周波数領域の揺動が同期した応答である。揺動の広い半径領域での同期が拡散項による拡散よりも早い熱輸送に寄与していると考えられる。さらに非線形結合の大きさを評価し、その半径方向の分布との対応から、動的な構造形成機構を説明した。このように本研究ではモード間の非線形結合の定量性解析を実験計測と対照させた形で行い、プラズマ中に存在する乱流輸送現象の素過程を浮かび上がらせることができた。
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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
本研究の目的は、数値シミュレーションを通じて、プラズマ中に存在する巨視的モード、メゾスケール構造、微視的乱流のダイナミクスを同時に同定することで、乱流輸送過程の理解を進展することにある。本年度は当初の予定では３次元平衡磁場配位を取り込んだジャイロ流体モデルを用いたシミュレーションのためのモデルの検討を行う予定であった。しかし、大型ヘリカル型実験装置を用いた加熱変調実験で、プラズマの非局所、非線形応答が新たに明らかになり、既存のドリフト交換型モード乱流コードを用いても、そのような実験を模擬するシミュレーションを行うことで物理過程の考察が行えることがわかった。そこで、まず既存のコードを用いたプラズマのソース変調による動的応答シミュレーションを行った。その結果、本研究の目的の一つである巨視的モードと微視的乱流のダイナミクスに対して重要な知見を得ることができた。よって研究の1年目は順調に進展したといえる。
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| 今後の研究の推進方策 |
本年度は既存のコードを用いて、プラズマ乱流の動的応答について重要な知見を得ることができたので、その成果を踏まえて、新たなヘリカルプラズマにおけるジャイロ流体モデルを用いた数値計算コードの開発を行う。ヘリカルプラズマにおける乱流を記述するために電磁的効果を取り入れ、外部コイルにより作られる磁場のオーダを正しく取り込んだジャイロ流体モデルを構築する。さらにヘリカルリップルを含む３次元的磁場配位がもたらす効果を取り入れる。そしてこのヘリカルプラズマにおけるジャイロ流体モデルを用いた数値計算コードを開発する。計算スキームは既存コードのものを利用して、モデルの理解を図ったうえで、モデルに合わせて適宜改造を図る。そして、モデルの妥当性を検証する。そのうえで３次元磁場配位を取り込む。ヘリカル系の特徴は磁場配位が３次元的であることであり、VMEC平衡コード(S. P. Hirshman, et al., J. Comp. Phys. (1991))を用いて進められている先行研究の手法を援用して、本研究で開発する乱流コードに３次元平衡磁場の効果を取り込む。開発したコードを用いてヘリカルプラズマにおけるドリフト交換型乱流のシミュレーションを行う。そしてメゾスケール乱流構造が出現する条件を探る。空間スケールの異なる構造間の非線形結合の大きさを評価し、乱流構造の形成機構を明らかにする。また、これまで我々が開発してきた乱流計測シミュレータによる数値診断から、形成される乱流構造が実験計測でいかに観測されるか提示し、形成機構の理解を図る。本研究を通じて大型ヘリカル型実験装置で特徴的な乱流輸送現象を抽出する技法を研究する。
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| 次年度の研究費の使用計画 |
次年度に使用する予定の研究費があるが、これは研究代表者が本年度途中に所属機関を変更したことで、予定していた国内出張旅費、物品費の必要がなくなったことによるものである。その研究費は、次年度の国内研究者との研究交流をより活発化するためのモバイルコンピュータ購入費と国内学会旅費に当てる。
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