Numerical study on kinetic plasma dynamics in ergodic regions

各态各态等离子体动力学的数值研究

基本信息

批准号：
20K03912
负责人：
森高外征雄
金额：
$ 1.08万
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：
2020
资助国家：
日本
起止时间：
2020-04-01 至 2024-03-31
项目状态：
已结题

项目摘要

本研究では、非軸対称なヘリカル型核融合炉を対象とした大域的運動論シミュレーション、特にダイバータや真空容器壁とプラズマが接触する周辺領域を含む全系シミュレーションの実現を目的としている。閉じ込め磁場や装置形状をシミュレーションに取り入れるために，非構造格子系と粒子法を用いたジャイロ運動論Particle-in-Cellコードを開発してきた。開発したコードを大型ヘリカル装置の炉心領域に応用して実施した、大域的な径電場がプラズマの熱輸送や同位体効果にもたらす影響についての研究を論文にまとめた（T. Moritaka et al., Nuclear Fusion 62, 126059 (2022)）。これに関連して、他の大域的ジャイロ運動論コードや理論的なスケーリング則と、比較可能なパラメータ領域でベンチマークを行った。また、ヘリカルダイバータ近傍の複雑な磁場構造を扱うためのシミュレーション手法開発を進めた。トーラス方向から大きく逸れた磁力線構造をジャイロ運動論モデルで扱うため、数値最適化を使って磁力線に垂直な曲面を生成し、その曲面上に磁力線構造に応じた多階層格子を生成する。さらに曲面との交差判定を含む磁力線追跡や曲面上の数値微分を行うための計算スキームを開発・実装することで、磁場構造に適合した格子系をParticle-in-Cell法の時間ステップサイクルに組み込むことが可能になった。これらは、ヘリカル型核融合炉全系シミュレーションモデルの基幹となる部分である。本成果は招待講演を含む二件の国際学会で発表された。

在这项研究中，我们的目标是实现非轴对称螺旋聚变反应堆的全局动力学模拟，特别是包括等离子体接触偏滤器和真空容器壁的外围区域的全系统模拟。为了将限制磁场和设备几何形状纳入模拟中，我们开发了一种使用非结构化网格系统和粒子方法的回旋粒子内粒子代码。我们将开发的代码应用于大型螺旋装置的核心区域，并在论文中总结了我们对全局径向电场对等离子体热传输和同位素效应的影响的研究（T. Moritaka et al., Nuclear Fusion 62, 126059 （2022））。在这方面，我们在可比较的参数区域与其他全局回旋运动代码和理论缩放定律进行了基准测试。我们还开发了一种模拟方法来处理螺旋分流器附近的复杂磁场结构。为了使用回旋运动模型来处理明显偏离环面方向的磁力线结构，我们使用数值优化生成垂直于磁力线的曲面，然后根据下式在该曲面上生成多层晶格：磁力线结构。此外，通过开发和实现磁场线追踪的计算方案，包括与曲面的相交确定和曲面上的数值微分，与磁场结构兼容的晶格系统将被纳入粒子中粒子的时间步循环中。细胞方法成为可能。这些是螺旋聚变反应堆完整系统仿真模型的核心部分。该成果在两次国际会议上发表，包括特邀报告。