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

聚变反应堆维持脱离状态的等离子体流体数值计算新方法的发展

• 批准号: 18J12692
• 负责人: 巽 瞭子
• 金额: $ 0.96万
• 依托单位: Keio University
• 依托单位国家: 日本
• 项目类别: Grant-in-Aid for JSPS Fellows
• 财政年份: 2018
• 资助国家: 日本
• 起止时间: 2018-04-25 至 2020-03-31
• 项目状态: 已结题
• 来源: https://kaken.nii.ac.jp/grant/KAKENHI-PROJECT-18J12692/
• 关键词: 核融合; 境界層プラズマ; プラズマ流体シミュレーション; ラグランジュ-モンテカルロ法; 流体シミュレーション

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。

In this paper, we study the development of a new fluid number calculation method for nuclear fusion furnace. This method is composed of the following methods: specialization of flow phenomena (hereinafter LG method), specialization of dispersion phenomena (hereinafter MC method), combination of flow phenomena, and solution of fluid particle transport equations. The neutral particle collision theory is based on the generation term of the fluid equation, the loss term of the fluid equation, and the validity model of the neutral particle collision theory (LG-MC method). In the later stage, the neutral particles were calculated by finite volume method. This year, the LG-MC three-dimensional system was established and the following developments were made. 1)In the beginning of the year, the LG-MC method was developed, and the LG method and MC method were used for averaging information. The lower limit of the calculation time is increased. The problem is solved by the method of LG and MC. 2)3 Dimensional calculation is a fatal problem that increases the calculation time.そこで、コードの并列化を行った。Special MC method can shorten the calculation time greatly. 3)LG-MC method is applied to the three-dimensional cylinder system. The axial symmetry is determined by the finite volume method of 2-D and the comparative calculation, and the validity of 3-D is determined qualitatively and quantitatively. The results of this study are based on the establishment of the three-dimensional fluid analysis method for nuclear fusion furnace boundary layer

项目成果

Effects of Hydrogen Negative Ions on Plasma with Magnetic Field Decreasing toward a Wall

氢负离子对磁场向壁方向减弱的等离子体的影响

• 发表时间: 2017
• 作者: A. Fukano;R. Tatsumi;A. Hatayama
• 通讯作者: A. Hatayama

Development of a Three Dimensional Plasma Fluid Code Using a Lagrange-Monte-Carlo Scheme

使用拉格朗日-蒙特卡罗方案开发三维等离子体流体代码

• DOI: 10.1585/pfr.15.1403003
• 发表时间: 2020
• 期刊: Plasma and Fusion Research
• 影响因子: 0.8
• 作者: R. Tatsumi;A. Runov;R. Schneider;K. Hoshino;and A. Hatayama
• 通讯作者: and A. Hatayama

University of Greifswald/Max-Planck-Institute for Plasma Physics(ドイツ)

格赖夫斯瓦尔德大学/马克斯普朗克等离子体物理研究所（德国）

Effects of the gas puffing neutral on the plasma parameters in the end-cell of GAMMA10/PDX by using the multi-fluid code “LINDA”

使用多流体代码“LINDA”观察气体吹入中性对 GAMMA10/PDX 末端单元中等离子体参数的影响

• DOI: 10.1016/j.nme.2018.12.027
• 发表时间: 2019
• 期刊: Nuclear Materials and Energy
• 影响因子: 2.6
• 作者: M.S.Islam;Y.Nakashima;S. Takechi;R.Tatsumi;A.Hatayama;T.Iijima;S.Yamashita;T.Yoshimoto;T.Hara;N.Ezumi;M.Sakamoto
• 通讯作者: M.Sakamoto

Max-Planck-Institute for Plasma Physics/University of Greifswald(ドイツ)

马克斯普朗克等离子体物理研究所/格赖夫斯瓦尔德大学（德国）