核融合炉におけるデタッチメント状態維持に向けた新しいプラズマ流体数値計算手法開発

聚变反应堆维持脱离状态的等离子体流体数值计算新方法的发展

基本信息

批准号：
18J12692
负责人：
巽瞭子
金额：
$ 0.96万
依托单位：
Keio University
依托单位国家：
日本
项目类别：
Grant-in-Aid for JSPS Fellows
财政年份：
2018
资助国家：
日本
起止时间：
2018-04-25 至 2020-03-31
项目状态：
已结题

项目摘要

本研究では、核融合炉におけるデタッチメント状態維持に向け、新しいプラズマ流体数値計算手法としてラグランジュ―モンテカルロ法の開発を行ってきた。本手法は、対流現象に特化したラグランジュ法(以下、LG法)、拡散現象に特化したモンテカルロ法(以下、MC法)とを組み合わせ、仮想流体粒子の輸送によりプラズマ輸送方程式群を解く手法である。中性粒子との衝突による効果はプラズマ流体方程式における生成項あるいは損失項として取り込まれるが、初年度前期には簡単な中性粒子モデルを用いて、LG法、ラグランジュ―モンテカルロ法(以下、LG-MC法)それぞれの妥当性検証を行った。後期にはより現実的な中性粒子モデルやパラメータを用い、従来の有限体積法を用いたコードとの詳細な比較計算を行った。本年度は、LG-MC法の3次元体系での確立を目的とし、以下のようにコード開発を進めた。1)初年度に開発したLG-MC法では、LG法とMC法でそれぞれ別の粒子を用いていたため、カップリングの際にセル毎に平均化された情報を受け渡す必要があった。この取り扱いのために、カップリングのタイムステップに下限値が生じ、適切なタイムステップの選択の困難や計算時間の増加といった問題点があった。そこで、変更点として、LG法とMC法で同じ粒子を用いることとし、これらの問題を解決した。2)3次元計算では計算時間の増大が致命的な問題となり得る。そこで、コードの並列化を行った。特にMC法における並列化効率は非常によく、計算時間の大幅な短縮が可能となった。3)LG-MC法コードの3次元円筒体系への拡張を行った。軸対称なケースで2次元の有限体積法との比較計算を行い、3次元コードの妥当性を定性的かつ定量的に検証した。以上より、核融合炉境界層プラズマの3次元流体解析手法としてラグランジュ―モンテカルロ法を確立したことが本研究の成果である。

在这项研究中，我们开发了Lagrangian-Monte Carlo方法作为一种新的数值方法，用于计算血浆流体以维持核融合反应器中的脱离状态。该方法结合了专门用于对流现象的Lagrange方法（以下称为LG方法），而蒙特卡洛方法（以下称为MC方法）专门用于扩散现象，以及通过运输虚拟流体颗粒来进行扩散现象。与中性颗粒发生碰撞是在等离子体流体方程中的生成术语或损失项的影响，但是在第一年的第一阶段，LG方法的有效性和Lagrangian-Monte Carlo方法（以下称为LG方法）使用简单的中性粒子模型进行了验证。在后期，使用常规有限体积方法，使用更逼真的中性粒子模型和参数用代码进行详细的比较计算。今年，为了在三维系统中建立LG-MC方法，我们进行了代码开发，如下所示。 1）在第一年开发的LG-MC方法中，将不同的颗粒用于LG和MC方法，因此有必要在耦合过程中传递每个单元格的信息。该处理在耦合的时间步长中导致了下限值，这导致了诸如选择适当的时间步骤和计算时间增加的问题。因此，作为变化，在LG和MC方法中使用了相同的粒子，并解决了这些问题。 2）在3D计算中，增加计算时间可能是致命的问题。因此，我们平行于代码。特别是，MC方法中的并行化效率非常好，可以显着减少计算时间。 3）LG-MC代码扩展到3D圆柱系统。在轴对称情况下，用二维有限体积方法进行了比较计算，三维代码的有效性是定性和定量验证的。从以上，这项研究的结果是建立拉格朗日蒙特卡洛法作为核融合反应堆边界层等离子体的三维流体分析方法。

项目成果

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专利数量（0）

Effects of Hydrogen Negative Ions on Plasma with Magnetic Field Decreasing toward a Wall

氢负离子对磁场向壁方向减弱的等离子体的影响

DOI：
发表时间：
2017
期刊：
影响因子：
0
作者：
A. Fukano;R. Tatsumi;A. Hatayama
通讯作者：
A. Hatayama

Development of a Three Dimensional Plasma Fluid Code Using a Lagrange-Monte-Carlo Scheme

使用拉格朗日-蒙特卡罗方案开发三维等离子体流体代码

DOI：
10.1585/pfr.15.1403003
发表时间：
2020
期刊：
Plasma and Fusion Research
影响因子：
0.8
作者：
R. Tatsumi;A. Runov;R. Schneider;K. Hoshino;and A. Hatayama
通讯作者：
and A. Hatayama

University of Greifswald/Max-Planck-Institute for Plasma Physics(ドイツ)

格赖夫斯瓦尔德大学/马克斯普朗克等离子体物理研究所（德国）

DOI：
发表时间：
期刊：
影响因子：
0
作者：
通讯作者：

Effects of the gas puffing neutral on the plasma parameters in the end-cell of GAMMA10/PDX by using the multi-fluid code “LINDA”

使用多流体代码“LINDA”观察气体吹入中性对 GAMMA10/PDX 末端单元中等离子体参数的影响

DOI：
10.1016/j.nme.2018.12.027
发表时间：
2019
期刊：
Nuclear Materials and Energy
影响因子：
2.6
作者：
M.S.Islam;Y.Nakashima;S. Takechi;R.Tatsumi;A.Hatayama;T.Iijima;S.Yamashita;T.Yoshimoto;T.Hara;N.Ezumi;M.Sakamoto
通讯作者：
M.Sakamoto

Max-Planck-Institute for Plasma Physics/University of Greifswald(ドイツ)

马克斯普朗克等离子体物理研究所/格赖夫斯瓦尔德大学（德国）