Impact of turbulence on the transport of energetic particles

湍流对高能粒子传输的影响

• 批准号: 17K06991
• 负责人: 石澤 明宏
• 金额: $ 3.16万
• 依托单位: Kyoto University
• 依托单位国家: 日本
• 项目类别: Grant-in-Aid for Scientific Research (C)
• 财政年份: 2017
• 资助国家: 日本
• 起止时间: 2017-04-01 至 2024-03-31
• 项目状态: 已结题
• 来源: https://kaken.nii.ac.jp/grant/KAKENHI-PROJECT-17K06991/
• 关键词: プラズマ閉じ込め; 非線形; 乱流; MHD; 燃焼プラズマ; 数値シミュレーション; ジャイロ運動論; プラズマ・核融合; 高エネルギー粒子; シミュレーション

磁場閉じ込め型核融合装置において燃焼プラズマを維持するためには、燃焼によって生じた高エネルギー粒子とそれによって加熱される燃料プラズマそれぞれの良好な閉じ込めを両立させることが必要である。本研究は、この燃焼プラズマの閉じ込め悪化を引きおこす主要な原因となる電磁流体不安定性（MHD）と乱流輸送を、世界最先端である大域的電磁的ジャイロ運動論シミュレーションを用いて評価することに成功した。高エネルギー粒子の閉じ込めは高エネルギー粒子駆動のマクロな電磁流体不安定性（トロイダルアルフェン固有モード、TAE）によって劣化され、一方、ミクロスケールを持つドリフト波乱流による輸送は燃料プラズマの閉じ込めを低下させる。本研究では、従来の研究と異なり、TAEと乱流のマルチスケール相互作用を初めて計算し、この相互作用の下で高エネルギー粒子および燃料プラズマの熱・粒子輸送を同時に評価した。その結果、TAEとドリフト波乱流の相互作用は、乱流揺動を波数空間と実空間の両方で同時に広げることを新たに示した。そしてその結果、揺動振幅は増大し、高エネルギー粒子の輸送及び燃料プラズマの輸送両方を増大させ、燃焼プラズマの閉じ込めを悪化させることを明らかにした。本年度は、乱流のマルチスケール相互作用を定量的に評価するために、非線形エントロピー（自由エネルギー）移送を調べた。その結果、イオン温度勾配乱流は、実空間におけるE×B乱流対流によるグローバルなエントロピー移動に起因する新たなメカニズムによって飽和することを明らかにした。乱流に付随するエントロピーの径方向への移動は、磁場揺動の影響を避けるために乱流の最も活発な領域の両側でグローバルな帯状流を生成し、その結果グローバルな帯状流の励起が抑制されず、乱流の定常状態を導く。この成果をNulcear Fusion誌に発表した。

为了在磁场约束型聚变装置中维持燃烧等离子体，需要对燃烧产生的高能粒子和由粒子加热的燃料等离子体两者实现良好的约束。这项研究旨在利用世界上最先进的整体电磁回旋模拟来评估磁流体动力学不稳定性（MHD）和湍流传输，这是燃烧等离子体约束恶化的主要原因。高能粒子驱动的宏观磁流体动力学不稳定性（环形阿尔芬本征模，TAE）会降低高能粒子的限制，而微尺度漂移波湍流的传输会降低燃料等离子体的限制。在这项研究中，与以往的研究不同，我们首次计算了TAE与湍流之间的多尺度相互作用，并同时评估了这种相互作用下高能粒子和燃料等离子体的热量和粒子输运。结果，我们新发现 TAE 和漂移波湍流之间的相互作用会同时在波数空间和实空间中传播湍流涨落。结果表明，振荡幅度增加，高能粒子的传输和燃料等离子体的传输都增加，并且燃烧等离子体的限制恶化。今年，我们研究了非线性熵（自由能）传递，以便定量评估湍流中的多尺度相互作用。结果表明，离子温度梯度湍流是由实空间E×B湍流对流引起的全局熵传递引起的新机制饱和的。与湍流相关的熵的径向移动在湍流最活跃区域的两侧产生全局纬向流，以避免磁场波动的影响，从而导致全局纬向流不受约束，从而达到湍流稳态。结果发表在 Nulcear Fusion 杂志上。

项目成果

Two types of helical-core equilibrium states in tokamak plasmas

托卡马克等离子体中两种类型的螺旋核平衡态

• DOI: 10.1088/1361-6587/ac828c
• 发表时间: 2022
• 期刊: Plasma Physics and Controlled Fusion
• 影响因子: 2.2
• 作者: Kawagoe S;Ishizawa A;Aiba N;Nakamura Y
• 通讯作者: Nakamura Y

Multi-scale interactions of microtearing turbulence in the tokamak pedestal

托卡马克基座中微撕裂湍流的多尺度相互作用

• DOI: 10.1088/1741-4326/abba49
• 发表时间: 2020
• 期刊: Nuclear Fusion
• 影响因子: 3.3
• 作者: Pueschel M.J.;Hatch D.R.;Kotschenreuther M.;Ishizawa A.;Merlo G.
• 通讯作者: Merlo G.

Lecture on Parity of MHD fluctuations

MHD波动平价讲座

• 发表时间: 2023
• 作者: 石澤明宏;今寺賢志;中村祐司;岸本泰明;Akihiro Ishizawa
• 通讯作者: Akihiro Ishizawa

シャフラノフシフトに影響された乱流輸送の磁気シア依存性

沙克拉诺夫位移影响的湍流传输的磁剪切依赖性

• 发表时间: 2020
• 作者: 中谷滉平;石澤明宏;中村祐司;前山伸也;渡邉智彦
• 通讯作者: 渡邉智彦

高エネルギー粒子駆動MHDモードとドリフト波乱流の相互作用

高能粒子驱动的 MHD 模式与漂移波湍流的相互作用

• 发表时间: 2020
• 作者: 石澤明宏;今寺賢志;中村祐司;岸本泰明
• 通讯作者: 岸本泰明