大域的5次元第一原理モデルのエクサスケール乱流計算による水素同位体混合現象の解明

使用全局五维第一性原理模型进行百亿亿次湍流计算来阐明氢同位素混合现象

基本信息

批准号：
22K03584
负责人：
井戸村泰宏
金额：
$ 2.58万
依托单位：
Japan Atomic Energy Agency
依托单位国家：
日本
项目类别：
Grant-in-Aid for Scientific Research (C)
财政年份：
2022
资助国家：
日本
起止时间：
2022-04-01 至 2025-03-31
项目状态：
未结题

项目摘要

磁場閉じ込め核融合プラズマの核融合出力を最適化する上で、燃料となる重水素と三重水素の密度比を制御することが重要な課題となっている。近年、JET装置や大型ヘリカル装置LHDにおいて水素と重水素の水素同位体混合実験が実施され、粒子閉じ込め時間に比べて一桁速い時間スケールの水素同位体混合現象が観測された。本研究では大域的モデルに基づくエクサスケールの5次元第一原理乱流計算を駆使して乱流揺動の雪崩的な伝搬や大域的電場形成による非局所的輸送現象の観点から速い水素同位体混合現象をもたらす物理機構を解明する。今年度は、多種イオン系プラズマにおける粒子輸送の基礎的検証として、炭素不純物の吐き出しが観測されているTore Supra装置のジュール加熱実験データを対象とする数値実験を実施した。この結果、炭素不純物吐き出し後のトレーサーレベルの不純物を含む系（実効電荷Zeff~1.36）ではバルクイオンの重水素と電子の粒子輸送のバランスによって両極性条件が満たされ、粒子閉じ込め時間はエネルギー閉じ込め時間より一桁大きくなるが、炭素不純物の吐き出し現象が発生する高濃度不純物を含む系（実効電荷Zeff~3.06）では炭素不純物の外向き輸送とバルクイオンの重水素の内向き輸送のバランスによって両極性条件が満たされ、電子閉じ込め時間より一桁速い時間スケールのイオン混合現象が発生することを発見した。また、トロイダル角運動量保存則に基づいてこの物理機構を解析し、トロイダル電場揺動と密度揺動の位相関係によって決まるトロイダル電場応力が速いイオン輸送を駆動し、重水素と炭素でこの位相関係が逆転することでイオン混合現象が発生することを明らかにした。

为了优化磁约束聚变等离子体的聚变输出，控制作为燃料的氘和氚的密度比是一个重要问题。近年来，在JET仪器和大型螺旋装置LHD上开展了氢和氘的氢同位素混合实验，观察到了比粒子禁闭时间快一个数量级的时间尺度上的氢同位素混合现象。在这项研究中，我们利用基于全局模型的百亿亿级五维第一原理湍流计算来研究湍流振荡的雪崩式传播以及全局电场形成引起的非局域输运现象，并阐明其物理机制。造成混合现象。今年，作为多离子等离子体中粒子输运的基本验证，我们利用来自Tore Supra装置的焦耳加热实验数据进行了数值实验，在该装置中观察到了碳杂质放电。因此，在排除碳杂质后含有示踪级杂质（有效电荷Zeff~1.36）的体系中，大体离子氘和电子的粒子输运之间的平衡满足双极性条件，粒子限制时间为能量虽然比禁闭时间要大一个数量级。在发生泵浦现象的含有高浓度杂质（有效电荷Zeff ~ 3.06）的系统中，通过体离子中碳杂质的向外传输和氘的向内传输之间的平衡来满足双极性条件，并且电子我们发现离子混合现象发生的时间尺度要快一个数量级。我们还基于环形角动量守恒定律分析了这一物理机制，发现由环形电场波动和密度波动之间的相位关系决定的环形电场应力驱动了快速离子传输，这氘和碳之间保持相关系，表明当离子反转时会发生离子混合现象。