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2015 年度 実施状況報告書

ジャイロ運動論的シミュレーションに基づく3次元プラズマ乱流輸送の定量的予測

研究課題

研究課題/領域番号 26820398
研究機関核融合科学研究所

研究代表者

沼波 政倫  核融合科学研究所, ヘリカル研究部, 助教 (40397203)

研究期間 (年度) 2014-04-01 – 2017-03-31
キーワードプラズマ・核融合 / ジャイロ運動論的シミュレーション / 乱流輸送 / 大型ヘリカル装置
研究実績の概要

本研究では、大型ヘリカル装置(以下、LHD)に代表される3次元磁場閉じ込め装置や、3次元磁場配位の効果を考慮したトカマク装置における、熱や粒子の異常輸送現象を定量的に理解することを主目的としている。平成27年度では、この目的を達成するために、数値コードのさらなる拡張と多粒子種プラズマでの乱流シミュレーションを実施し、以下の成果を得ている。
(1)多粒子種を含むプラズマ乱流シミュレーション:26年度までに開発していた複数粒子種間の衝突オペレータを実装した乱流シミュレーションコードを利用しながら、複数イオン種(水素・ヘリウム)を含むLHDプラズマの微視的不安定性解析や、不純物イオンを含むプラズマでの乱流シミュレーションを実施した。イオン種の混合比による不安定性成長率の影響を確認し、新古典輸送計算も実施しながら、不純物ホールを伴う実験結果に対する運動論的な観点からの議論を進めた。
(2)イオン熱輸送とプラズマ温度分布予測:平成26年度に実施した多数のイオン温度勾配パラメータにおける乱流シミュレーション結果に基づき、イオン温度の実験測定から統計学的に見積もった現実的な温度勾配との関係を解析し、乱流シミュレーションによるプラズマ温度分布の定量予測に成功した。

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

昨年度までに完成した複数粒子種プラズマに対応した乱流シミュレーションコードを利用し、実際のLHD実験での現実的な多粒子種プラズマにおける乱流シミュレーションを実施できた。
不純物ホール現象や構成粒子種によるプラズマの閉じ込め性能の影響など、近年の3次元プラズマ実験で活発に議論されているテーマに対して、ジャイロ運動論による第一原理的なシミュレーション研究からの解明として最初の成果が得られ、次年度までに本課題の主目的が達成されるものと期待できるため、上記の達成度とした。

今後の研究の推進方策

平成26年度および平成27年度に得られた研究成果を受けて、最終年度となる28年度には、下記に挙げた点について研究を推進する予定である。
(1)不純物ホールを伴うLHDの多粒子種プラズマにおける運動論的シミュレーション研究:平成27年度に開始したLHDでの不純物ホール現象を伴う多粒子種プラズマにおける乱流シミュレーションをさらに多くのケースについて実施し、新古典シミュレーション結果と合わせて運動論的シミュレーションからのプラズマ輸送現象の説明、特に粒子輸送に関する説明を行う。
(2)乱流輸送におけるプラズマ・プロファイルの影響の定量的な解明:これまでに実施したプラズマ温度分布に対する乱流輸送への影響だけでなく、密度分布等も含めたプラズマ・プロファイルの影響について、プロファイルの実験測定データをもとに、統計学的なデータ解析を利用した定量的な解析を実施する。

次年度使用額が生じた理由

当初予定していた出張に関し、想定していた出張への支出を削減できた上、物品費に予定していたデータ保存用ディスクを最終年度である28年度に多く要することが判明し、購入計画を変更したため。

次年度使用額の使用計画

9月にスペインのマドリードで開催される国際会議に出席する際、出張時期が繁忙期と重なり、旅費が高額になることが予想されているため、その不足分に充てるほか、現地の研究者との共同研究を進めているため、出張期間を当初計画より長いものに変更する予定であり、その滞在費用に充てる。
また、本課題での主要な計算機環境である国際共同研究でのIFERC CSCのHelios計算機が11月でシャットダウンされるのに伴い、これまでに実施したシミュレーション研究のデータ保存のために、大容量のディスクシステムの購入費にも用いる予定である。

  • 研究成果

    (12件)

すべて 2016 2015 その他

すべて 国際共同研究 (2件) 雑誌論文 (4件) (うち査読あり 4件、 謝辞記載あり 2件) 学会発表 (5件) (うち国際学会 4件、 招待講演 2件) 備考 (1件)

  • [国際共同研究] Max-Planck-Institut fur Plasmaphysik(ドイツ)

    • 国名
      ドイツ
    • 外国機関名
      Max-Planck-Institut fur Plasmaphysik
  • [国際共同研究] CIEMAT(スペイン)

    • 国名
      スペイン
    • 外国機関名
      CIEMAT
  • [雑誌論文] Improved strong scaling of a spectral/finite difference gyrokinetic code for multi-scale plasma turbulence,2015

    • 著者名/発表者名
      S. Maeyama, T.-H. Watanabe, Y. Idomura, M. Nakata, M. Nunami, and A. Ishizawa
    • 雑誌名

      Parallel Computing

      巻: 49 ページ: 1 - 9

    • DOI

      http://dx.doi.org/10.1016/j.parco.2015.06.001

    • 査読あり
  • [雑誌論文] Cross-Scale Interactions between Electron and Ion Scale Turbulence in a Tokamak Plasma,2015

    • 著者名/発表者名
      S. Maeyama, Y. Idomura, T.-H. Watanabe, M. Nakata, M. Yagi, N. Miyato, A. Ishizawa, and M. Nunami
    • 雑誌名

      Physical Review Letter

      巻: 114 ページ: 255002-1 - 5

    • DOI

      http://dx.doi.org/10.1103/PhysRevLett.114.255002

    • 査読あり
  • [雑誌論文] Effects of collisions on conservation laws in gyrokinetic field theory2015

    • 著者名/発表者名
      H. Sugama, T.-H. Watanabe, and M. Nunami
    • 雑誌名

      Physics of Plasmas

      巻: 22 ページ: 082306-1 - 19

    • DOI

      http://dx.doi.org/10.1063/1.4928378

    • 査読あり / 謝辞記載あり
  • [雑誌論文] Improved collision operator for plasma kinetic simulations with multi-species ions and electrons2015

    • 著者名/発表者名
      Motoki Nakata, Masanori Nunami, Tomo-Hiko Watanabe, and Hideo Sugama
    • 雑誌名

      Computer Physics Communications

      巻: 197 ページ: 61 - 72

    • DOI

      http://dx.doi.org/10.1016/j.cpc.2015.08.007

    • 査読あり / 謝辞記載あり
  • [学会発表] 3次元プラズマ乱流輸送の大規模シミュレーション研究の進展2016

    • 著者名/発表者名
      沼波政倫
    • 学会等名
      日本物理学会第71回年次大会
    • 発表場所
      東北学院大学
    • 年月日
      2016-03-19 – 2016-03-22
  • [学会発表] Progress of Gyrokinetic Turbulence Simulation in Helical Plasmas2015

    • 著者名/発表者名
      Masanori Nunami
    • 学会等名
      25th International Toki Conference
    • 発表場所
      Toki, Japan
    • 年月日
      2015-11-03 – 2015-11-06
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] Profile sensitivity of turbulent transport in LHD plasmas2015

    • 著者名/発表者名
      M. Nunami, M. Nakata, A. Ishizawa, S. Toda, H. Sugama, and T.-H. Watanabe
    • 学会等名
      20th International Stellarator /Heliotron Workshop
    • 発表場所
      Greifswald, Germany
    • 年月日
      2015-10-05 – 2015-10-09
    • 国際学会
  • [学会発表] Optimization of a particle code2015

    • 著者名/発表者名
      Masanori Nunami
    • 学会等名
      US-Japan JIFT Workshop on Innovations and co-designs of fusion simulations towards extreme scale computing
    • 発表場所
      Nagoya, Japan
    • 年月日
      2015-08-20 – 2015-08-21
    • 国際学会
  • [学会発表] Gyrokinetic simulation study on turbulent transport in helical plasmas2015

    • 著者名/発表者名
      Masanori Nunami
    • 学会等名
      The Ninth International West Lake Symposium - Plasma Simulation
    • 発表場所
      Hangzhou, China
    • 年月日
      2015-05-18 – 2015-05-21
    • 国際学会 / 招待講演
  • [備考] 第10回日本物理学会若手奨励賞の受賞

    • URL

      http://www-nsrp.nifs.ac.jp/news/news-160428.html

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公開日: 2017-01-06  

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