2017 Fiscal Year Research-status Report

トカマクプラズマにおけるRF波動とシースの連成シミュレーション

Research Project

Project/Area Number	16K18336
Research Institution	Kyushu Institute of Technology
Principal Investigator	河野晴彦九州工業大学, 大学院情報工学研究院, 准教授 (70710846)
Project Period (FY)	2016-04-01 – 2019-03-31
Keywords	シース / プラズマ波 / 高周波加熱 / トカマク型 / 磁場核融合 / 有限要素法
Outline of Annual Research Achievements	昨年度の研究で構築した、幅広い周波数に対応するシース・プラズマ相互作用を計算しうる有限要素法コード（rfSOLコード）を詳細にまとめた論文は、Computer Physics Communicationsに掲載された。この段階では、背景磁場に対応する磁力線が壁面（シース表面）に対して垂直に交わる場合にしか開発したコードを適用することはできなかったが、共著者のJ.R. Myraが開発した新たなシースインピーダンスパラメータ（Myra, Phys. Plasmas 24, 072507 (2017)）を導入することにより、磁力線が壁面と任意の角度で交差する場合においても同コードを適用することが可能になった。この新たに開発された有限要素法解析コードを用いて、以前に容量性シース境界条件を用いて得られた結果（Kohno, et al., Phys. Plasmas 19, 012508 (2012)）との比較を行い、低シース電圧の下ではシース内で生じる散逸効果によりシース・プラズマ波が生じないことを明らかにした。一方、低プラズマ密度、小さな（磁力線と壁面の）交差角、高シース電圧の下では、シース・プラズマ波が出現し、広い範囲でスパッタリングや壁面損壊が生じうる根拠を示した。さらに、低域混成共鳴に相当するプラズマ密度近傍において、シース・プラズマ相互作用により生じるシース電圧が急激に上昇する「シース・プラズマ波共鳴現象」を数値解析により初めて示すことに成功した。これらの研究成果をまとめた論文をJ.R. Myraとともに執筆し、近々Phys. Plasmasに投稿する予定である。
Current Status of Research Progress	Current Status of Research Progress 2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned. Reason 「研究実績の概要」で述べたように、昨年度の課題であった「背景磁場が任意の角度で壁面と交わる場合」に適用するためのコードの改良は成し遂げた。具体的には、複素シースインピーダンスを4つの無次元数に依存する関数として表すことに成功し、それをrfSOLコードに導入することができた、ということである。しかし、磁力線と壁面の接触角が壁面に沿って変化し、ある点においてその接触角が零となる場合に、使用した計算格子ではとらえきれないほど非常に短い波長を有する電場の分布が現れた。現段階では、この分布が物理的なものなのか、数値計算の誤算に起因するものなのか、明確に判断が下せていない。この原因を明らかにすることが今後の課題である。
Strategy for Future Research Activity	磁力線と壁面の接触角が零となる場合の解析については、過去に容量性シースモデルを用いて行い、その結果をPhys. Plasmas 20, 082514 (2013)にまとめた。次のステップとして、今度は一般化シースモデルを用いて同じ条件の下で計算を行い、結果の比較を行いたい。計算誤差が含まれているか否かを判断するためにまずやるべきことは、空間精度の調査である。すなわち、局所的に非常に短い波長を有する電場を十分に捉えられる格子の解像度で計算を行い、空間的に収束したことを確かめた後に、その結果の物理的な妥当性について考察する。その過程で、シース境界条件を導出する際に適用した近似を再度注意深く見返す必要がある。特に「シース幅とシースに沿う波動の波数の積が1を超えてはならない」という制約が満たされているかどうかが重要である。もし満たされていない場合はシース境界条件の定式化を変更する必要があり、その計算にはスペクトル法を適用しなければならないと考えている。
Causes of Carryover	「AVS/Express Dev ロック（教育）」（734,400円）を年度末に購入したが、納期の関係で平成30年度の支払いとなった。これが昨年度に計上されていれば、次年度使用額は1万円未満である。