Exploration of burning plasma confinement physics using the supercomputer Fugaku

スーパーコンピュータ富岳を用いた核燃焼プラズマ閉じ込め物理の開拓

渡邉 智彦*; 井戸村 泰宏   ; 藤堂 泰*; 本多 充*

Watanabe, Tomohiko*; Idomura, Yasuhiro; Todo, Yasushi*; Honda, Mitsuru*

スーパコンピュータ富岳の初期立ち上げ段階において、データ科学的手法を適用して、不純物イオンと水素同位体の粒子,運動量,エネルギーの乱流輸送、および高エネルギー粒子の閉じ込めといった核燃焼プラズマ閉じ込めの物理を探求するシミュレーションプロジェクトを開始した。本プロジェクトに先立って、多次元位相空間におけるプラズマの運動論的ダイナミクスを解析する3つの主要な核融合プラズマシミュレーションコード, GKV, GT5D, MEGAのアップグレードと最適化を行い、富岳における高性能計算を達成した。フラックスチューブジャイロ運動論的コードGKVを多種イオン系プラズマのマルチスケール乱流および重不純物イオンの乱流輸送に適用している。大域的full-fジャイロ運動論的コードGT5Dを用いて非局所的乱流輸送と自発プラズマ回転の研究を実施している。運動論的MHDハイブリッドコードMEGAは高エネルギーイオンの閉じ込めの研究に使用され、さらにバルクイオンの運動論的ダイナミクスを導入するコード拡張も行われた。本プロジェクトでは、輸送モデルとシミュレーション研究効率の向上するためにデータ科学的手法も推進している。

During the initial start-up phase of the supercomputer Fugaku, we have launched a simulation project to explore physics of burning plasma confinement, that is, turbulent transport of particles, momentum, energy, impurity ions and hydrogen isotopes, and confinement of energetic particles, in collaboration with data science approaches. In prior to the project, we have upgraded and optimized three major fusion plasma simulation codes, GKV, GT5D and MEGA, which solve the kinetic plasma dynamics on multi-dimensional phase space, achieving the high computational performance on Fugaku. The flux tube gyrokinetic code, GKV, is applied to simulations of the multi-scale turbulence in multiple ion species plasma and the turbulent transport of heavy impurity ions. The global full-f gyrokinetic code, GT5D, is employed to explore non-local turbulent transport and intrinsic plasma rotation. The kinetic-MHD hybrid code, MEGA, is used for studying confinement of energetic ions, and has also been extended to introduce kinetic dynamics of bulk ions. In the project, data science approaches are also promoted to improve transport modeling and efficiency of the simulation research.