Study of global and dynamical plasma transport physics in 3D magnetic configuration based on first principle simulation

本研究課題では、複雑な3次元非軸対称磁場をもつステラレータ型の磁場閉じ込め装置におけるプラズマ輸送現象を対象として、乱流および衝突性（新古典）輸送と加熱入力等で決まる大域的輸送や分布形成の物理を探求し、その機構を明らかにすることを目的としている。磁場閉じ込めプラズマの大域的輸送やそれによる分布形成過程を取り扱うためには、第一原理であるジャイロ運動論方程式に基づき、かつ従来的な揺らぎと背景分布のスケール分離を仮定しない、大域的full-fジャイロ運動論シミュレーションを行う必要がある。本課題の具体的な目標は、保存型解法に基づいた大域的full-fジャイロ運動論コードであるGT5Dを3次元磁場配位に拡張し、3次元磁場下における大規模乱流シミュレーションを実施することで3次元磁場プラズマの大域的輸送特性を調べることである。今年度は、前年度までに開発した3次元磁場版GT5Dを用いて、磁場閉じ込めプラズマの輸送の主要因となっているイオン温度勾配によって駆動される微視的乱流の基礎的性質を調べることを目的とした線形解析を主として行った。乱流の線形成長率や周波数の波数依存性について、従来の局所解析モデルと比較し、定性的に一致する結果を得た。また、線形固有関数の形状についても定性的に妥当な結果が得られることを確認した。一方で、イオン温度勾配を強くした場合には、モードが単純な線形成長ではなく振動しながら成長する現象が見られた。これは、未確定ながら、温度勾配に由来するドリフトの大域的なシアによるものと考えられ、3次元プラズマの乱流輸送における大域的効果として、今後より詳細な比較・検証を行うことを予定している。

本研究課題では、複雑な3次元非軸対称磁場をもつステラレータ型の磁場閉じ込め装置におけるプラズマ輸送現象を対象として、乱流および衝突性（新古典）輸送と加熱入力等で決まる大域的輸送や分布形成の物理を探求し、その機構を明らかにすることを目的としている。磁場閉じ込めプラズマの大域的輸送やそれによる分布形成過程を取り扱うためには、第一原理であるジャイロ運動論方程式に基づき、かつ従来的な揺らぎと背景分布のスケール分離を仮定しない、大域的full-fジャイロ運動論シミュレーションを行う必要がある。本課題の具体的な目標は、保存型解法に基づいた大域的full-fジャイロ運動論コードであるGT5Dを3次元磁場配位に拡張し、3次元磁場下における大規模乱流シミュレーションを実施することで3次元磁場プラズマの大域的輸送特性を調べることである。今年度は、前年度までに開発した3次元磁場版GT5Dを用いて、磁場閉じ込めプラズマの輸送の主要因となっているイオン温度勾配によって駆動される微視的乱流の基礎的性質を調べることを目的とした線形解析を主として行った。乱流の線形成長率や周波数の波数依存性について、従来の局所解析モデルと比較し、定性的に一致する結果を得た。また、線形固有関数の形状についても定性的に妥当な結果が得られることを確認した。一方で、イオン温度勾配を強くした場合には、モードが単純な線形成長ではなく振動しながら成長する現象が見られた。これは、未確定ながら、温度勾配に由来するドリフトの大域的なシアによるものと考えられ、3次元プラズマの乱流輸送における大域的効果として、今後より詳細な比較・検証を行うことを予定している。