Development of a microscale RF sheath model including a point of tangency between a magnetic field line and a wall surface

トカマク型核融合炉において高周波（RF）波動加熱を適用する場合に重要となるシース電圧やシース内部の電力散逸を正しく予測するために、研究代表者らはこれまでの研究で有限要素法に基づくrfSOLコードを構築し、改良してきた（Kohno, et al., Comput. Phys. Comm. 220, 129 (2017)）。このコードで適用するシース境界条件に含まれるシースインピーダンスパラメータは四つの物理量に依存する関数であり、それはマイクロスケールのRFシースモデルを用いた計算を通して得られたものである（Myra, Phys. Plasmas 24, 072507 (2017)）。上記のRFシースモデルは1次元領域に適用されたものであるため、シース幅の時間平均値と壁面の曲率半径が同程度となる付近では、計算結果の正確さに問題が生じる可能性がある。そこで研究代表者らは、2次元領域に適用しうるマイクロスケールRFシースモデルに基づく有限要素スキームを開発し、新たなシース境界条件の構築を最終目標に設定した上で、壁面の隆起を伴う2次元解析領域内で様々な条件下の計算を行った。その成果は、近々、計算方法や数値解析を扱う科学学術雑誌に投稿する予定である。この2次元マイクロスケールRFシースモデルを磁力線と壁面の接点を有する場合に適用する際に、解決すべき主要な問題が二つある。まず、現在のスキームでは電流の連続性を局所で満たすために磁力線に沿って節点を配置する計算格子を用いているが、この方法では磁力線と壁面が接するときに格子が崩壊する。次に、Maxwell-Boltzmann近似は接点近傍で満たされないため、電子密度を決定するための新たな式が必要となる。これらの問題に取り組むことが本研究の目的であり、初年度では解決方法の案をいくつか出すことができた。詳細は「現在までの進捗状況」で述べる。

トカマク型核融合炉において高周波（RF）波動加熱を適用する場合に重要となるシース電圧やシース内部の電力散逸を正しく予測するために、研究代表者らはこれまでの研究で有限要素法に基づくrfSOLコードを構築し、改良してきた（Kohno, et al., Comput. Phys. Comm. 220, 129 (2017)）。このコードで適用するシース境界条件に含まれるシースインピーダンスパラメータは四つの物理量に依存する関数であり、それはマイクロスケールのRFシースモデルを用いた計算を通して得られたものである（Myra, Phys. Plasmas 24, 072507 (2017)）。上記のRFシースモデルは1次元領域に適用されたものであるため、シース幅の時間平均値と壁面の曲率半径が同程度となる付近では、計算結果の正確さに問題が生じる可能性がある。そこで研究代表者らは、2次元領域に適用しうるマイクロスケールRFシースモデルに基づく有限要素スキームを開発し、新たなシース境界条件の構築を最終目標に設定した上で、壁面の隆起を伴う2次元解析領域内で様々な条件下の計算を行った。その成果は、近々、計算方法や数値解析を扱う科学学術雑誌に投稿する予定である。この2次元マイクロスケールRFシースモデルを磁力線と壁面の接点を有する場合に適用する際に、解決すべき主要な問題が二つある。まず、現在のスキームでは電流の連続性を局所で満たすために磁力線に沿って節点を配置する計算格子を用いているが、この方法では磁力線と壁面が接するときに格子が崩壊する。次に、Maxwell-Boltzmann近似は接点近傍で満たされないため、電子密度を決定するための新たな式が必要となる。これらの問題に取り組むことが本研究の目的であり、初年度では解決方法の案をいくつか出すことができた。詳細は「現在までの進捗状況」で述べる。