磁場閉じ込めプラズマにおける非局所輸送解析

磁约束等离子体中的非局域输运分析

• 批准号: 02J10177
• 负责人: 佐竹 真介
• 金额: $ 1.22万
• 依托单位: National Institute for Fusion Science (2003)The Graduate University for Advanced Studies (2002)
• 依托单位国家: 日本
• 项目类别: Grant-in-Aid for JSPS Fellows
• 财政年份: 2002
• 资助国家: 日本
• 起止时间: 2002 至 2003
• 项目状态: 已结题
• 来源: https://kaken.nii.ac.jp/grant/KAKENHI-PROJECT-02J10177/
• 关键词: 新古典輸送理論; モンテカルロシミュレーション; δf法; 有限軌道幅効果; GAM振動; 並列計算; トカマク; イオン熱伝導率; 核融合; プラズマ

本年度は、磁場閉じ込めプラズマ中の荷電粒子の磁気面を横切る径方向の軌道幅の有限性(有限軌道幅効果)を考慮した新古典輸送シミュレーションをトーラスのポロイダル断面全体に渡って大域的にシミュレートすることを目的としたコードの開発とそれをもちいた輸送現象のシミュレーションを行ってきた。我々が採用したのはδf法と呼ばれるモンテカルロ輸送シミュレーションの技法である。この手法では荷電粒子の分布関数fを局所マクスウェル分布f_Mとそこからの摂動δfとに分け、δfに関する線形化した運動論方程式のみを解くものである。大規模なシミュレーションを高速に行うために、コードはHPF(High-Performance-Fortran)を用いてスーパーコンピュータ上における高度な並列化を行った。また、モンテカルロ法ではプラズマ粒子の衝突は乱数を用いて模擬されるが、計算の並列化効率を高めるために擬似乱数の発生ルーチンも並列化するためのサブルーチンの開発も同時に行った。この結果、我々の輸送計算コードFORTECは核融合科学研究所のSX-7システム上で計算実行速度360GFLOPS(ピーク性能の約1/4)を達成した。この並列化によって従来では行えなかった時空間両面における高分解能をもった新古典輸送シミュレーションが行えるようになり、様々な輸送現象の詳細が見えるようになった。我々が主に注目したのは、ひとつには有限軌道幅効果による輸送現象の非局所性の表れである。前年度において我々は、従来のオイラー的表記に基づく手法とは異なる、ラグランジュ的表記に基づく新古典輸送理論の構築を行った。この手法によって、トカマクの磁気軸近傍に現れる軌道幅の大きいポテト粒子軌道の有限軌道幅効果を反映させた新古典熱伝導率の計算を行い、従来のポテト粒子を無視した理論で示される値よりも熱伝導率が磁気軸近傍で減少することを示した。この傾向が、モンテカルロ法を用いたより直接的なシミュレーションによっても確認された。もう一つの着目点は、新古典粒子束による径電場の時間発展現象である。ラグランジュ的な理論モデルは本質的に定常状態での輸送を扱うもので、径電場の時間発展は無視していた。トカマクでは、径電場の時間発展においてGAM振動と呼ばれる減衰振動モードが起こる。近年、イオン勾配モードによって自発的にできる径電場構造とGAM振動が注目されているが、径電場構造の決定における新古典輸送と乱流輸送の関係はよく分かっていない。我々は、δf法を使って新古典輸送の立場から径電場発展を詳細に調べた。そして、GAM振動の共鳴減衰や時間発展が、有限軌道幅効果によって磁気面間で相関を持つことで単一の磁気面だけを考える局所モデルでの時間発展の様子とは異なってくることを示した。

This year, the finiteness of the orbital amplitude of the charged particles in the transverse radial direction (finite orbital amplitude effect) of the magnetic field is considered. The neoclassical transport mechanism is considered to be the overall transport mechanism of the charged particles in the large domain. We use the "delta" method to describe the transport process. This method is used to determine the distribution relation f of charged particles. The distribution f_M of charged particles is linear. The equation of motion is linear. High Performance Fortran (HPF) High Performance Fortran (HPF) The simulation results show that the simulation results of the simulation of the collision number of the particles are high, and the simulation results of the parallel development of the particles are high. As a result, we have achieved a calculation speed of 360GFLOPS(about 1/4 of the performance) on the SX-7 system of the Institute of Nuclear Fusion Science. For details of the transport phenomena, please refer to the following: The main objective of this study is to investigate the non-local behavior of transport phenomena due to finite orbital amplitude. The basic theory of transportation in the past years has been developed. The calculation of the neoclassical thermal conductivity is based on the theory that the thermal conductivity decreases near the magnetic axis due to the large orbital amplitude near the magnetic axis. This trend is reflected in the use of direct and indirect methods of identification. The time evolution phenomenon of radial electric field in neoclassical particle beam The theory of radial electric field is based on the theory of radial electric field. Time evolution of radial electric field and GAM vibration In recent years, the relationship between neoclassical transport and turbulent transport has been studied in the determination of radial electric field structure and GAM vibration. The method of δf makes the position of neoclassical transport change and the development of radial electric field change. The resonance attenuation of GAM vibration and the time evolution of GAM vibration are different from each other due to the correlation between magnetic fields and finite orbital amplitude.