トーラスプラズマにおける非線形MHD不安定性に対するプラズマ流の影響の解明

阐明等离子体流对环面等离子体中非线性 MHD 不稳定性的影响

基本信息

批准号：
04J03822
负责人：
佐藤雅彦
金额：
$ 2.18万
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 JSPS Fellows
财政年份：
2004
资助国家：
日本
起止时间：
2004 至 2006
项目状态：
已结题

项目摘要

トカマク型核融合炉では、抵抗性壁モードの抑制は重要課題の一つである。本研究では、簡約化MHD方程式を基礎方程式として、抵抗性壁モードの非線形シミュレーションを行った。本年度は、ポロイダル回転が存在するもとでの2次元シミュレーションにより得られた計算結果の物理機構について、より詳細な解析を行った。回転の小さい領域では「壁モード」が、回転の大きい領域では「プラズマモード」が不安定であることが知られている。シミュレーションによれば、壁モードは飽和レベルが初期回転の大きさに依存しないが、プラズマモードは飽和レベルが減少することが分かった。この原因は、次の様に説明することができる。プラズマ中に作用する減速トルクは、抵抗壁における摂動磁場の振幅と、モード構造のねじれ度の積に依存する。回転を大きくすると、モードはよりねじれた構造になり、そして磁場は抵抗壁にしみ込みにくくなる。したがって、回転には減速トルクを増大させる効果と、減少させる効果の相反する効果が存在する。壁モードは壁に対してほぼ静止しているため、モード構造がねじれやすい性質を持つ。そのため、回転を大きくすると減速トルクは増大し、非線形状態において回転がほぼ零に減速される。一方、プラズマモードはモードが壁に対して回転しているため、壁モードと比較するとモード構造のねじれ度の増加が小さい。そのため、ねじれの効果よりも壁に摂動磁場がしみ込みにくくなる効果が支配的となり、回転を大きくすると減速トルクは逆に減少する。このため、非線形状態においても回転が維持される。このような、回転に対する減速トルクの依存性の違いが、飽和レベルの依存性と関係することを明らかにした。本コードでは、オーム則における拡散項の陰的処理の計算負荷が大きい。コードの3次元化で計算量が大幅に増加するが、アルゴリズムの改良とMPIによる並列化により、大幅な計算時間の短縮にも成功した。

在托卡马克型聚变反应堆中，电阻壁模式的抑制是重要问题之一。在本研究中，我们使用简化的MHD方程作为基本方程对电阻壁模式进行了非线性模拟。今年，我们对存在极向旋转的二维模拟计算结果的物理机制进行了更详细的分析。已知“壁模式”在小旋转区域不稳定，而“等离子体模式”在大旋转区域不稳定。根据模拟发现，壁模式的饱和水平不依赖于初始旋转的幅度，但等离子体模式的饱和水平降低。其原因可以解释如下。作用在等离子体中的减速扭矩取决于电阻壁处的扰动磁场的幅度和模式结构的扭转程度的乘积。随着旋转的增加，模式变得更加扭曲，磁场不太可能穿透电阻壁。因此，旋转具有矛盾的效果：一是增大减速扭矩，二是减小减速扭矩。由于壁模态相对于壁几乎是静止的，因此模态结构倾向于扭曲。因此，当旋转增加时，减速扭矩增加，并且旋转在非线性状态下减速到几乎为零。另一方面，在等离子体模式中，由于模式相对于壁旋转，因此与壁模式相比，模式结构的扭曲程度的增加较小。因此，使扰动磁场难以穿透壁的效果比扭转效果更占主导地位，并且随着旋转的增加，减速扭矩减小。因此，即使在非线性状态下也能维持旋转。结果表明，减速扭矩对旋转的依赖性的差异与对饱和水平的依赖性有关。在这段代码中，欧姆定律中扩散项的隐式处理的计算量很大。将代码转换为 3D 会显着增加计算量，但通过改进算法并使用 MPI 对其进行并行化，我们能够显着减少计算时间。