A computer simulation study to unveil fluid behavior of the beam-on target of a fusion neutron source

核融合中性子源の自由表面液体リチウム流ターゲットについて、平板近似に基づく数値流体シミュレーション(CFD)モデルを開発した。ターゲット形状は凹型なので、単に流体方程式を解くだけで自ずと解に遠心力効果が現れるはずである。しかし本解析平板近似を用いるため、流れ方向に垂直な遠心力項を流体方程式に人為的にソースタームとして導入した。汎用流体計算パッケージOpenFOAMを用いて、ナビエ・ストークス方程式を数値的に解き、3次元平板近似体系における自由表面Li流れの挙動を解析する数値流体力学計算コードを開発した。新たに開発した計算コードを用いて、ターゲットに掛かる遠心力がリチウム液面形状に及ぼす影響を評価した。本解析においてビーム入射は考慮しない。本解析において簡単のためにターゲットの曲率半径は一定（R = 0.245 m）と仮定した（すなわち遠心力は一様と仮定）。ノズル出口流速vinについて流体シミュレーションの感度解析を行ったところ、下流方向に向かって液面が増大することが分かった。さらに、入口流速が大きいほど液面の盛り上がりが大きいことが分かった。特にvin = 10~20 m/sの場合において、ターゲットのビーム入射中心位置においてリチウム液面は数mm盛り上がることが分かった。本研究の数値シミュレーションで得られた液面高さの流れ方向分布は、先行する簡易理論解析とELTL実験結果と定性的に一致した。本研究成果はthe 41st JSST Annual International Conference on Simulation Technology (JSST2022)にてOutstanding Presentation Awardを受賞され、学術的に高い評価を受けた。

核融合中性子源の自由表面液体リチウム流ターゲットについて、平板近似に基づく数値流体シミュレーション(CFD)モデルを開発した。ターゲット形状は凹型なので、単に流体方程式を解くだけで自ずと解に遠心力効果が現れるはずである。しかし本解析平板近似を用いるため、流れ方向に垂直な遠心力項を流体方程式に人為的にソースタームとして導入した。汎用流体計算パッケージOpenFOAMを用いて、ナビエ・ストークス方程式を数値的に解き、3次元平板近似体系における自由表面Li流れの挙動を解析する数値流体力学計算コードを開発した。新たに開発した計算コードを用いて、ターゲットに掛かる遠心力がリチウム液面形状に及ぼす影響を評価した。本解析においてビーム入射は考慮しない。本解析において簡単のためにターゲットの曲率半径は一定（R = 0.245 m）と仮定した（すなわち遠心力は一様と仮定）。ノズル出口流速vinについて流体シミュレーションの感度解析を行ったところ、下流方向に向かって液面が増大することが分かった。さらに、入口流速が大きいほど液面の盛り上がりが大きいことが分かった。特にvin = 10~20 m/sの場合において、ターゲットのビーム入射中心位置においてリチウム液面は数mm盛り上がることが分かった。本研究の数値シミュレーションで得られた液面高さの流れ方向分布は、先行する簡易理論解析とELTL実験結果と定性的に一致した。本研究成果はthe 41st JSST Annual International Conference on Simulation Technology (JSST2022)にてOutstanding Presentation Awardを受賞され、学術的に高い評価を受けた。