プラズマダイナミクスシミュレーションによる乱流輸送予測検証

使用等离子体动力学模拟验证湍流传输预测

基本信息

批准号：
21K03514
负责人：
登田慎一郎
金额：
$ 2.08万
依托单位：
National Institute for Fusion Science
依托单位国家：
日本
项目类别：
Grant-in-Aid for Scientific Research (C)
财政年份：
2021
资助国家：
日本
起止时间：
2021-04-01 至 2025-03-31
项目状态：
未结题

项目摘要

核融合エネルギー実現には、トロイダルプラズマでの乱流輸送の定量的予測は、最も重要な課題の一つである。大型ヘリカル装置(LHD)での、運動論的電子の条件下での非線形ジャイロ運動論解析結果を再現する電子、イオン熱拡散係数モデルと粒子、熱輸送の準線形流束モデルが提唱している。このとき、イオン温度勾配(ITG)モードが考察されている。準線形流束モデルは輸送シミュレーションにモデル化して結合させることができない。なぜなら、準線形流束モデルは揺動ポテンシャル揺動と温度揺動もしくは密度揺動の位相差に依存し、温度、密度勾配により、モデル化することが難しいからである。本研究では、電子運動についてジャイロ運動論方程式を解析した場合の、簡約化モデル(熱拡散係数モデル、準線形流束モデル)を、ジャイロ運動論線形シミュレーションにより、輸送解析に直接結合させた。輸送ダイナミクス解析により、定常状態の電子、イオン温度分布が得られた。統合コードによる動的な輸送シミュレーションにおいてそれぞれの時間ステップごとに、ジャイロ運動論コードにより線形成長率が計算される。電子、イオン温度分布に関するシミュレーション結果は実験結果と矛盾しない。乱流、新古典輸送の定常分布について考察した。この時、ほぼ全領域で新古典輸送が、乱流輸送と比べて優位である。簡約化モデルと結合して、輸送シミュレーションにより得られた電子、イオン温度分布は、線形成長率をイオン温度勾配長で付加的なモデリングをしたシミュレーション結果と比較された。捕捉電子モードにおけるジャイロ運動論解析を始めた。このとき、電子はバナナ領域であり、イオンは衝突領域である。２種類の衝突モデル演算子を用い、帯状流の乱流に対する影響を調べた。

为了实现聚变能，环形等离子体中湍流输运的定量预测是最重要的问题之一。提出了电子和离子热扩散率模型以及粒子和热传输的准线性通量模型，以重现大型螺旋装置（LHD）中运动电子条件下的非线性回旋分析结果。此时，考虑离子温度梯度（ITG）模式。准线性通量模型无法建模并耦合到传输模拟。这是因为准线性通量模型取决于波动电势波动与温度波动或密度波动之间的相位差，并且由于温度和密度梯度而难以建模。在本研究中，用于分析电子运动回旋方程的简化模型（热扩散率模型、准线性通量模型）通过回旋线性模拟直接耦合到输运分析。通过输运动力学分析获得了稳态电子和离子温度分布。线性增长率由集成代码在动态传输模拟中每个时间步的回旋代码计算。电子和离子温度分布的模拟结果与实验结果一致。我们考虑了湍流和新古典输运的平稳分布。此时，新古典运输几乎在所有地区都优于湍流运输。结合简化模型，将通过输运模拟获得的电子和离子温度分布与使用线性生长速率与离子温度梯度长度的加法建模的模拟结果进行比较。我们开始分析俘获电子模式下的回旋运动理论。此时，电子处于香蕉区，离子处于碰撞区。使用两种类型的碰撞模型算子研究了层流对湍流的影响。