Development of multi-species model in local gyrokinetic turbulence simulations

ジャイロ運動論的局所乱流シミュレーションにおける多粒子種モデルの開発

仲田 資季; 井戸村 泰宏   

Nakata, Motoki; Idomura, Yasuhiro

核融合プラズマ中の乱流輸送現象の理解と輸送レベルの予測はプラズマ物理・核融合研究において重要な課題のひとつであり、核融合プラズマの第一原理モデルであるジャイロ運動論に基づいた非線形シミュレーションによる研究が展開されている。これまでの研究では単一の粒子種(水素もしくは重水素)のイオン系乱流、あるいは、電子系乱流を対象としていたが、実際の核融合反応を伴う燃焼プラズマに対しては、燃料イオン(重水素及び三重水素イオン),電子,不純物イオンから構成される乱流輸送現象を解析する必要がある。本研究では、これまでの単一粒子種に対するジャイロ運動論モデルを、多粒子種の取り扱いを含んだ計算モデルへと拡張し、数値計算コードへ実装した。多粒子種モデルに基づいたシミュレーションは従来の単一粒子種の場合に比べて計算コストが増大するが、粒子種に関する並列化を新たに導入することにより、計算性能を向上させた。ここで開発された多粒子種モデルは、線形安定性解析(ITG-TEM-ETGモード)のベンチマークテストによって、計算結果の健全性や計算モデルの妥当性を確認した。この結果から、燃焼プラズマ系の乱流シミュレーションに必要な格子解像度や物理パラメータ等の計算条件が明らかにした。

The understanding of turbulent transport phenomena and prediction of the transport levels is one of the most important issues in fusion plasma researches. The turbulent transport with single ion or electron species has been investigated by means of nonlinear gyrokinetic simulations, so far. However, many particle species, such as fuel ions, electrons, and impurity ions, are involved in more realistic burning plasmas with fusion reactions, so that turbulent transport phenomena with multi species should be explored. In this study, the conventional gyrokinetic simulation model is extended to multi-species one. Numerical results of the new simulation code is verified by benchmark tests with linear stability analyses (ITG-TEM-ETG modes). These results also provide ones with the numerical conditions for the nonlinear simulations of burning plasma turbulence.