Elucidation of plasma heating processes in sphetical tokamaks by particle models

将来の核融合炉で求められる高温プラズマを生成する手法として、球状トカマク合体による初期加熱方法が注目されているが、加熱の具体的な機構は未解明のままである。本研究では、球状トカマク装置内で2つのプラズマを磁気リコネクションを通して合体させる状況を模擬した粒子シミュレーションを行って、具体的な加熱機構を調べている。2022年度は、マクロ・ミクロ両方の視点から加熱機構の解明を進めた。マクロ的な視点からは、加熱プロセスは圧縮加熱と粘性加熱から成り、それぞれ起こっている場所やタイミングが異なることを見出した。また、2つの加熱機構のトロイダル磁場依存性を調べ、トロイダル磁場がある程度高い場合、2つの合計加熱量は大きく変わらないが、それぞれの加熱量はトロイダル磁場強度に大きく依存することを見出した。一方ミクロ的な視点からは、速度分布関数を調べることにより、リング型・部分リング型のイオン速度分布関数を見出し、このことから圧縮加熱は真の圧縮による加熱とピックアップライクな機構による実効的加熱から構成されていることを明らかにした。このような速度分布は、合体中だけでなく合体後にも形成されること、合体中と合体後で基本的な形成過程は同じだが、大きく異なる部分があることを突き止めた。粒子シミュレーションモデルの発展面としては、境界条件をより実際の実験装置に近い状況に改良するなどの工夫を行った。またコード高速化のため、上記シミュレーションを最も実行するスーパーコンピュータがベクトル機であることから、ベクトル機向けの最適化処理を多く組み込んだ。一方で、東京大学の球状トカマク装置TS-6などに新しい計測装置を組み込んで、プラズマ合体実験を進めることで、静電ポテンシャル、温度の2次元プロファイルなどを測定できるようになっている。

将来の核融合炉で求められる高温プラズマを生成する手法として、球状トカマク合体による初期加熱方法が注目されているが、加熱の具体的な機構は未解明のままである。本研究では、球状トカマク装置内で2つのプラズマを磁気リコネクションを通して合体させる状況を模擬した粒子シミュレーションを行って、具体的な加熱機構を調べている。2022年度は、マクロ・ミクロ両方の視点から加熱機構の解明を進めた。マクロ的な視点からは、加熱プロセスは圧縮加熱と粘性加熱から成り、それぞれ起こっている場所やタイミングが異なることを見出した。また、2つの加熱機構のトロイダル磁場依存性を調べ、トロイダル磁場がある程度高い場合、2つの合計加熱量は大きく変わらないが、それぞれの加熱量はトロイダル磁場強度に大きく依存することを見出した。一方ミクロ的な視点からは、速度分布関数を調べることにより、リング型・部分リング型のイオン速度分布関数を見出し、このことから圧縮加熱は真の圧縮による加熱とピックアップライクな機構による実効的加熱から構成されていることを明らかにした。このような速度分布は、合体中だけでなく合体後にも形成されること、合体中と合体後で基本的な形成過程は同じだが、大きく異なる部分があることを突き止めた。粒子シミュレーションモデルの発展面としては、境界条件をより実際の実験装置に近い状況に改良するなどの工夫を行った。またコード高速化のため、上記シミュレーションを最も実行するスーパーコンピュータがベクトル機であることから、ベクトル機向けの最適化処理を多く組み込んだ。一方で、東京大学の球状トカマク装置TS-6などに新しい計測装置を組み込んで、プラズマ合体実験を進めることで、静電ポテンシャル、温度の2次元プロファイルなどを測定できるようになっている。