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Full-f gyrokinetic simulation including kinetic electrons

運動論的電子を含むFull-fジャイロ運動論シミュレーション

井戸村 泰宏  ; 朝比 祐一*; 林 伸彦*; 浦野 創*

Idomura, Yasuhiro; Asahi, Yuichi*; Hayashi, Nobuhiko*; Urano, Hajime*

Full-fジャイロ運動論シミュレーションは核融合プラズマにおける非局所的乱流輸送現象、プラズマ分布、閉じ込め時間を解析する上で重要なツールであるが、従来のFull-fシュミュレーションは断熱応答電子を仮定するイオン系乱流しか扱えなかった。ITERで重要となる電子系乱流を解析するために、本研究ではFull-fシミュレーションの新たなハイブリッド電子モデルを開発し、その精度検証を実施した。このモデルでは、乱流場を決定するポアソン方程式において高周波ノイズを励起する通過電子応答を解析解で近似することによって高周波ノイズを消去し、長時間スケールのFull-fシミュレーションを実現した。このモデルを用いた電子系乱流の数値実験により、電子乱流輸送に関連する新たな乱流抑制機構や運動量輸送機構を発見した。また、実証研究において実験的に観測されている電子加熱がもたらすプラズマ回転変化を再現できることを示した。

Full-f gyrokinetic simulations are important tools for analyzing nonlocal turbulent transport, plasma profiles, and the confinement time in fusion plasmas. However, the conventional full-f simulations were limited to ion turbulence with adiabatic electrons. In order to analyze ITER relevant electron turbulence, in this work, we develop a new hybrid electron model for full-f simulations, and verify its accuracy. In the model, passing electrons responses, which induce high frequency noises, are approximated by analytic solutions, and long time scale full-f simulations are enabled by eliminating the high frequency noises. Numerical experiments of electron turbulence using this model clarify new mechanisms for turbulence suppression and momentum transport related to electron turbulence transport. In a validation study, an experimental observation on plasma rotation changes induced by electron heating is successfully reproduced.

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