Electromagnetic gyrokinetic simulation of turbulence in torus plasmas

石澤 明宏*; 前山 伸也; 渡邉 智彦*; 洲鎌 英雄*; 中島 徳嘉*

Journal of Plasma Physics, 81(2), p.435810203_1 - 435810203_41, 2015/04

https://doi.org/10.1017/S0022377815000100

Gyrokinetic simulations of electromagnetic turbulence in magnetically confined torus plasmas including tokamak and heliotron/stellarator are reviewed. Magnetic perturbations can influence some key mechanisms of turbulent transport. Linear analysis shows that the ion-temperature gradient instability is unstable in low beta plasma and its growth rate is reduced by magnetic field line bending, while the kinetic ballooning mode is destabilized at high beta. In addition, trapped electron modes, electron temperature gradient modes, and micro-tearing modes can be destabilized. These instabilities are classified into two categories: ballooning parity and tearing parity modes. These parities are mixed by nonlinear interactions. In the nonlinear evolution, the zonal flow shear acts to regulate the ITG driven turbulence at low-beta. On the other hand, at finite beta, interplay between the turbulence and zonal flows becomes complicated because the production of zonal flow is influenced by the finite beta effects.

Numerical techniques for parallel dynamics in electromagnetic gyrokinetic Vlasov simulations

前山 伸也; 石澤 明宏*; 渡邉 智彦*; 中島 徳嘉*; 飯尾 俊二*; 筒井 広明*

Computer Physics Communications, 184(11), p.2462 - 2473, 2013/11

https://doi.org/10.1016/j.cpc.2013.06.014

Numerical techniques for parallel dynamics in electromagnetic gyrokinetic simulations are introduced to regulate unphysical grid-size oscillations in the field-aligned coordinate. It is found that a fixed boundary condition and the nonlinear mode coupling in the field-aligned coordinate, as well as numerical errors of non-dissipative finite difference methods, produce fluctuations with high parallel wave numbers. The theoretical and numerical analyses demonstrate that an outflow boundary condition and a low-pass filter efficiently remove the numerical oscillations, providing small but acceptable errors of the entropy variables. The new method is advantageous for quantitative evaluation of the entropy balance that is required for obtaining a steady state in gyrokinetic turbulence.

Turbulent transport due to kinetic ballooning modes in high-beta toroidal plasmas

石澤 明宏*; 前山 伸也; 渡邉 智彦*; 洲鎌 英雄*; 中島 徳嘉*

Proceedings of 24th IAEA Fusion Energy Conference (FEC 2012) (CD-ROM), 8 Pages, 2012/10

http://www-naweb.iaea.org/napc/physics/FEC/FEC2012/papers/386_THP223.pdf

Turbulent transport due to kinetic ballooning modes (KBMs) in high-beta toroidal plasmas is investigated by means of an electromagnetic gyrokinetic model and a newly developed electromagnetic hybrid model consisting of the gyrokinetic equation for ions and fluid equations for electrons. Full gyrokinetic simulation results for Cyclone base case tokamak with = 2% and = 0 are quickly and accurately reproduced by the hybrid simulation. Agreement between the hybrid and full kinetic simulations is confirmed on detailed transport mechanisms: electrostatic heat and particle fluxes and electromagnetic heat and particle pinches for ions and electrons. The numerical solutions satisfy the entropy balance equation, and entropy variable is transferred from ions to electrons through electromagnetic perturbation. The hybrid model enables us to simulate KBM turbulence in high-beta Large Helical Device (LHD) plasmas, for which full gyrokinetic simulation is difficult because of large computational cost. The critical beta of KBM in the standard LHD plasma is about 1.5% (1%) for = 0 ( = 3).

地域熱供給システムに利用する超小型原子炉の出力規模に関する検討

高橋 博樹; 中島 伸也; 楠 剛

JAERI-Tech 2003-052, 59 Pages, 2003/06

JAERI-Tech-2003-052.pdf:5.95MB

原子力エネルギーの利用拡大の視点から、民生用エネルギー、とりわけ冷房・暖房の空調用及び給湯用熱源としての利用に着目し、その可能性の検討を進めてきた。原子力エネルギーは、今までほとんど発電用として利用されてきたことから、熱供給システムの熱源としての利用検討はほとんど行われていない。本報告では、熱供給地域の短・長期的な熱需要変化を予測するため、モデル都市を設定して解析するとともに、熱供給システムの最適化検討を行った。特に、熱供給においては、熱供給可能範囲が半径5km程度であるとされているため、熱供給地域の熱需要に適した熱源規模を検討する意図は、システム全体像を把握するためにも重要は過程と言える。その結果、地域熱供給湯用原子炉としては、熱出力100MWtを基本として、必要な熱源を複数基で対応すること、初期導入されたシステムはその後30年以上の利用が可能であること,蓄熱あるいは蓄冷熱システムの導入が不可欠であることなどが明らかになり、熱供給用超小型炉の可能性を明らかにした。

熱供給用超小型原子炉に関する研究開発

中島 伸也; 楠 剛; 小田野 直光; 落合 政昭

第7回動力・エネルギー技術シンポジウム講演論文集 (00-11), p.225 - 228, 2000/00

21世紀のエネルギー、中でも今後増大化が予想されている民生用の冷房、暖房、給湯のエネルギー源として、超小型原子炉による熱供給システムについて提案した。この原子炉は社会的受容性に高いものが要求され、その要件をまとめるとともに、具体的に、地域熱供給用には熱出力100MWt、それを補完するオフィスビルの地下に設置する1MWtの2種類について言及した。いづれも出口温は233、自然循環方式の一体型であり、制御棒駆動装置も内装型を採用し、動的機器、配管類を極力排除したきわめて信頼性の高い受動安全炉となっている。100MWtの炉は都市の大深度地下に空洞を造りそこに設置する。そのため、万が一の事故時においても住民が避難する必要がないよう設計されている。炉心は8年間の長期燃焼を目標とし、経済性にも配慮した原子炉となっている。

水冷却炉におけるPu利用の高度化に関する研究会報告書; 平成11年3月2日, 東京開催

中島 伸也; 落合 政昭

JAERI-Conf 99-014, p.218 - 0, 1999/12

JAERI-Conf-99-014.pdf:11.65MB

軽水炉によるPu利用が本格的に開始されようとしており、今後全MOX炉心、高燃焼、高転換等にかかわる軽水炉によるPu利用の高度化の重要性が高まる。当研究部では、Pu利用の高度化に重点を置いた研究を進めており、関連する研究・開発を行っている大学、機関、電力及びメーカーとの情報交換の機会を持つことは有意義である。当該研究会では基調講演、研究発表6件及び意見交換「Pu利用高度化研究の展望」が行われた。本報告は、これらの発表論文等をまとめたものであり、付録として研究会当日発表者が使用したOHPを収録するとともに、研究会のプログラムならびに参加者名簿を添付した。

原子力発電プラントの寿命管理

中島 伸也

日本原子力産業会議動力炉燃料・材料ガイドブック, p.329 - 349, 1998/00

本著は、日本原子力産業会議の原子動力研究会の一つである、燃料・材料勉強会での内容をベースに、動力炉の燃料及び材料に関するガイドブックを出版することとなり、関係者で分担執筆したものである。著者は、本著の第7章原子力発電プラントの寿命管理の前半部を担当した。寿命管理と課題では、プラントの機器・構築物を3種類に区分し、交換が極めて困難な機器・構築物を区分Aとし、その代表の原子炉圧力容器、コンクリート構築物及び一部の電線類であるとした。材料、構造、環境のそれぞれが3次元的であり、時間依存性を含む複雑な4次元の現象であり、これらの経年劣化解析では、機器・構築物の機能劣化とを関係づける最適な手法の構築が重要であることを記した。各国での動向は、米国が先頭を走っているが、その背景は各国必ずしも同じではないため、我が国独自の対応策が必要であることを記した。

New method of nondestructive measurement for assessment of material degradation of aged reactor pressure vessels

荒 克之; 海老根 典也; 中島 伸也

J. Pressure Vessel Technol., 118(4), p.447 - 453, 1996/11

https://doi.org/10.1115/1.2842212

原子炉圧力容器の照射劣化を非破壊的に計測するために、新しい方法として「磁気問いかけ法(MIM)」を提案した。本手法は圧力容器の照射誘起硬化と磁気保磁力の間に良い相関があることに着目したものである。圧力容器の局部を肉盛り溶接部を通して磁化し、そのときの圧力容器表面の磁界分布を計測する。この計測分布パターンから圧力容器鋼材部の厚さ方向の保磁力分布を逆推定する。この逆推定には静磁界解析と最適パラメータ推定手法を用いる。推定された保磁力分布から圧力容器の硬化分布、劣化分布に関する重要な情報を引き出す。

原子炉圧力容器劣化の非破壊計測; 強磁性鋼材の磁気特性と機械的特性の相関

海老根 典也; 橘田 和泰*; 荒 克之; 中島 伸也; A.Gilanyi*; 上坂 充*; 宮 健三*

MAG-95-138, 0, p.61 - 68, 1995/11

原子炉圧力容器の非破壊劣化計測法に関して、著者らは、中性子照射による材料の機械的特性の変化を磁気特性の変化との関連から求める「磁気問いかけ法」の研究を進めている。本稿では、材料の機械的特性と磁気的特性の関連について材質の変化からみた根拠をのべるとともに、磁気特性を用いた鋼材の非破壊評価の可能性を調べるため、熱処理により機械的特性の異なる試料を材性し、機械的特性と磁気特性の関係を調べた。測定試料としては、原子炉圧力容器鋼A533B鋼およびSUS410鋼を用いた。測定の結果両鋼材とも硬度と磁気特性には非常によい相関があり、磁気特性を用いた非破壊的劣化評価の可能性があることがわかった。

原子炉圧力容器肉盛り溶接部厚さの非破壊計測法の検討

荒 克之; 坂佐井 馨; 岸本 牧; 海老根 典也; 中島 伸也

日本応用磁気学会誌, 19, p.493 - 496, 1995/00

https://doi.org/10.3379/jmsjmag.19.493

圧力容器鋼材の中性子照射による保磁力変化に着目した圧力容器劣化の非破壊計測法として「磁気問いかけ法」が提案されており、この方法においては圧力容器に内張りされた非磁性の肉盛り溶接部の厚さを知る必要がある。この厚さを非破壊的に計測する方法を静磁界解析により検討した。磁気ヨークを圧力容器内壁に取りつけ、肉盛り溶接部を通して磁化するとき、磁気ヨーク近傍の容器内壁面の磁界分布の中央値Hmと半値巾W1/2が肉盛り溶接部厚さgによってどう変化するかを解析した。その結果、起磁力で正規化したHm/NIはgに対して単調減少、半値巾W1/2は単調増加するという関係曲線が得られた。この関係曲線は圧力鋼材の速磁率が500以上では不変となり、gを求めるための校正曲線として使用できることがわかった。これより、肉盛り溶接部厚さgはHm/NIおよびW1/2を計測するような非破壊手法で計測可能であると結論した。