2022 Fiscal Year Research-status Report
Development of a microscale RF sheath model including a point of tangency between a magnetic field line and a wall surface
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22K03577
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| Research Institution | Kyushu Institute of Technology |
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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)
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| Project Period (FY) |
2022-04-01 – 2025-03-31
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| Keywords | シース / 高周波加熱 / 磁場核融合 / 有限要素法 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
トカマク型核融合炉において高周波（RF）波動加熱を適用する場合に重要となるシース電圧やシース内部の電力散逸を正しく予測するために、研究代表者らはこれまでの研究で有限要素法に基づくrfSOLコードを構築し、改良してきた（Kohno, et al., Comput. Phys. Comm. 220, 129 (2017)）。このコードで適用するシース境界条件に含まれるシースインピーダンスパラメータは四つの物理量に依存する関数であり、それはマイクロスケールのRFシースモデルを用いた計算を通して得られたものである（Myra, Phys. Plasmas 24, 072507 (2017)）。
上記のRFシースモデルは1次元領域に適用されたものであるため、シース幅の時間平均値と壁面の曲率半径が同程度となる付近では、計算結果の正確さに問題が生じる可能性がある。そこで研究代表者らは、2次元領域に適用しうるマイクロスケールRFシースモデルに基づく有限要素スキームを開発し、新たなシース境界条件の構築を最終目標に設定した上で、壁面の隆起を伴う2次元解析領域内で様々な条件下の計算を行った。その成果は、近々、計算方法や数値解析を扱う科学学術雑誌に投稿する予定である。
この2次元マイクロスケールRFシースモデルを磁力線と壁面の接点を有する場合に適用する際に、解決すべき主要な問題が二つある。まず、現在のスキームでは電流の連続性を局所で満たすために磁力線に沿って節点を配置する計算格子を用いているが、この方法では磁力線と壁面が接するときに格子が崩壊する。次に、Maxwell-Boltzmann近似は接点近傍で満たされないため、電子密度を決定するための新たな式が必要となる。これらの問題に取り組むことが本研究の目的であり、初年度では解決方法の案をいくつか出すことができた。詳細は「現在までの進捗状況」で述べる。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
まず、「研究実績の概要」で述べた計算格子の問題であるが、少なくとも低周波数の条件においては解析領域の中心線に沿って参照ポテンシャルの値がほぼ一定であることから、（局所ではない）グローバルな電流の連続性を考えればよいことになる。その場合は、計算格子の節点を磁力線に沿って配置する必要はない。また、Maxwell-Boltzmann近似を適用しない電子の方程式も考案した。これを数値的に安定に解くことができるかが今後の鍵となる。また、当初想定していなかった現象として、イオン電流が解析領域の外側から内側に流れ込むような条件が存在することが確認された。これが生じると、現状のコードでは計算が不安定となり発散する。
以上のように、計算スキームの改良のための道筋と問題点は明らかになっているため、次年度では具体的な離散化式の導出や計算プログラムの作成に取り組む所存である。
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| Strategy for Future Research Activity |
まずは「現在までの進捗状況」で記した「計算領域内部に向かうイオン電流」が生じる場合でも安定に計算しうる方法を考案する必要がある。解析領域の外のイオン密度が定義されていないことが不安定性の要因の一つと考えられる。次に、計算格子を変形させずにグローバルな電流の連続性を考慮して得られる計算結果と、従来の方法で得られた計算結果を比較することで、前者の妥当性を評価する。問題がなければ、影領域を含む計算方法の策定に進む。そして、新たな電子の方程式の離散化法をいくつか試し、簡単な問題においてその安定性を評価する。
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| Causes of Carryover |
（理由）令和4年度はNERSCのスーパーコンピュータ（Cori）による計算が主であり、その他は基本的に「紙と鉛筆」、そして共同研究者のMyra氏とのメールのやり取りで十分であった。そのため、主な支出はアメリカ合衆国で開催された国際学会の参加費や旅費である。
（使用計画）US-Japan Workshop on RF Physics等の国際学会の参加や、必要に応じてワークステーションのメモリの増設を考えている。
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