核融合炉におけるデタッチメント状態維持に向けた新しいプラズマ流体数値計算手法開発

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本研究では、核融合炉におけるデタッチメント状態維持に向け、新しいプラズマ流体数値計算手法としてラグランジュ―モンテカルロ法の開発を行ってきた。本手法は、対流現象に特化したラグランジュ法(以下、LG法)、拡散現象に特化したモンテカルロ法(以下、MC法)とを組み合わせ、仮想流体粒子の輸送によりプラズマ輸送方程式群を解く手法である。中性粒子との衝突による効果はプラズマ流体方程式における生成項あるいは損失項として取り込まれるが、初年度前期には簡単な中性粒子モデルを用いて、LG法、ラグランジュ―モンテカルロ法(以下、LG-MC法)それぞれの妥当性検証を行った。後期にはより現実的な中性粒子モデルやパラメータを用い、従来の有限体積法を用いたコードとの詳細な比較計算を行った。本年度は、LG-MC法の3次元体系での確立を目的とし、以下のようにコード開発を進めた。1)初年度に開発したLG-MC法では、LG法とMC法でそれぞれ別の粒子を用いていたため、カップリングの際にセル毎に平均化された情報を受け渡す必要があった。この取り扱いのために、カップリングのタイムステップに下限値が生じ、適切なタイムステップの選択の困難や計算時間の増加といった問題点があった。そこで、変更点として、LG法とMC法で同じ粒子を用いることとし、これらの問題を解決した。2)3次元計算では計算時間の増大が致命的な問題となり得る。そこで、コードの並列化を行った。特にMC法における並列化効率は非常によく、計算時間の大幅な短縮が可能となった。3)LG-MC法コードの3次元円筒体系への拡張を行った。軸対称なケースで2次元の有限体積法との比較計算を行い、3次元コードの妥当性を定性的かつ定量的に検証した。以上より、核融合炉境界層プラズマの3次元流体解析手法としてラグランジュ―モンテカルロ法を確立したことが本研究の成果である。