プラズマ乱流の大域的シミュレーションと乱流計測法に関する研究

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本研究では、磁場閉じ込め核融合プラズマにおける多種の不安定性の混在する状態について理論解析および数値シミュレーションを行い、得られた結果を核融合科学研究所のヘリカルプラズマ実験装置Large Helical Device (LHD)における実験計測と直接比較することにより、複雑なプラズマ乱流現象の一端を解明することを目的とする。平成25年度は以下の2つの研究に取り組んだ。(1)共鳴磁場摂動(RMP)印可時のプラズマの応答に関する理論と実験の比較一昨年度および昨年度の研究において、RMPによる磁気島に関するプラズマフローを含む理論をヘリカルプラズマ特有の磁力線曲率の効果を含むモデルへと拡張し、これを数値的に解くためのコードを開発した。本年度は、理論予測および数値シミュレーション結果をLHDにおける計測データと直揺比較した。特に、磁気島がフローの効果で消滅する過程において、磁気島の位相角の変化を磁場揺動の位相角の変化へと変換することで、LHDの磁気計測データがよく再現されることが示された。(2)高エネルギーイオンによって駆動されるMHDモード昨年度の研究に引き続き、MEGAコードを用いてLHDにおける高エネルギーイオンによって駆動されるトロイダルアルフベン固有モード(TAE)のシミュレーションを行った。本年度は、非線形段階におけるTAEと高速エネルギーイオンの間のエネルギー交換について詳細な解析を行った。また、本年度はLHDにおいて昨年度に観測された魚骨型振動を記述するための理論モデルの導出に着手した。捕捉高エネルギーイオンの効果を含むMHDのエネルギー原理を導出した。ヘリカル系においては背景磁場がリップル構造を持つために波-粒子共鳴条件が拡張され、捕捉高エネルギーイオンのドリフト速度とは異なる位相速度を持つMHDモードが不安定化されうることが新たに見いだされた。