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，我们开发了拉格朗日-蒙特卡罗方法作为一种新的等离子体流体数值计算方法，用于维持聚变反应堆中的脱离状态。该方法结合了专门针对对流现象的拉格朗日法（以下简称LG法）和专门针对扩散现象的蒙特卡罗法（以下简称MC法），通过输运虚拟流体粒子来求解一组等离子体输运方程。这是。与中性粒子碰撞的影响被作为等离子流体方程中的产生项或损失项纳入，但在第一年的上半年，使用简单的中性粒子模型来开发LG方法，拉格朗日-蒙特卡罗方法（以下简称LG-法）对各方法（MC法）的有效性进行了验证。后半部分我们使用了更加真实的中性粒子模型和参数，并与传统有限体积法的代码进行了详细的对比计算。今年，为了建立 LG-MC 方法的三维系统，我们进行了如下所示的代码开发。 1）在第一年开发的LG-MC方法中，LG方法和MC方法使用了不同的粒子，因此在耦合过程中需要传递每个细胞的平均信息。由于这种处理，耦合时间步长存在下限值，导致难以选择合适的时间步长、计算时间增加等问题。因此，作为改变，我们决定在LG方法和MC方法中使用相同的粒子来解决这些问题。 2）在3D计算中，计算时间的增加可能是一个致命的问题。因此，我们对代码进行了并行化。特别是MC方法的并行化效率非常高，使得可以显着减少计算时间。 3) LG-MC方法代码扩展到三维圆柱系统。我们与轴对称情况下的二维有限体积法进行了对比计算，定性和定量地验证了三维码的有效性。综上所述，本研究的成果是建立了拉格朗日-蒙特卡罗方法作为聚变反应堆边界层等离子体三维流体分析方法。

项目成果

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会议论文数量（0）

专利数量（0）

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：
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

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