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論文

Implementation of a gyrokinetic collision operator with an implicit time integration scheme and its computational performance

前山 伸也*; 渡邉 智彦*; 井戸村 泰宏; 仲田 資季*; 沼波 政倫*

Computer Physics Communications, 235, p.9 - 15, 2019/02

 パーセンタイル:100(Computer Science, Interdisciplinary Applications)

陰的時間積分スキームを用いてSugama衝突演算子をジャイロ運動論的ブラゾフコードGKVに実装した。新手法はオペレータスプリッティング、陰的時間積分、クリロフ部分空間反復法ソルバを用いており、線形化衝突演算子の詳細に依存しない汎用的な手法となっている。数値計算テストでは衝突項が制限する時間ステップ幅を超えて安定な計算が実証できた。データ転置を用いることで、反復計算中に通信が発生しない分散メモリシステムにおける効率的実装を実現した。これにより、本手法は計算効率向上と計算コスト削減を同時に達成し、アプリケーションの全体性能を大きく加速する。

論文

Cross-scale interactions between turbulence driven by electron and ion temperature gradients via sub-ion-scale structures

前山 伸也*; 渡邉 智彦*; 井戸村 泰宏; 仲田 資季*; 石澤 明宏*; 沼波 政倫*

Nuclear Fusion, 57(6), p.066036_1 - 066036_10, 2017/05

 被引用回数:5 パーセンタイル:27.2(Physics, Fluids & Plasmas)

電子およびイオン温度勾配(ETG/ITG)モードを含むマルチスケールプラズマ乱流を電磁的ジャイロ運動論シミュレーションによって調べた。非線形モード結合の3波移行解析により、電子スケールとイオンスケールのスケール間相互作用を明らかにした。この相互作用の1つは、イオンスケール乱流による電子スケール乱流の抑制である。ここで、ITGが駆動する短波長の渦がせん断流れのように作用し、ETG乱流を抑制する。もう一つのスケール間相互作用は、電子スケール乱流の存在下でのイオンスケール乱流の増大である。これは、短波長の帯状流によって引き起こされる。この帯状流はITG乱流における運動論的通過電子の応答によって生成され、剪断によってITG乱流を抑制し、ETG乱流によって減衰される。どちらの場合も、電子スケールとイオンスケールの間のサブイオンスケールの構造が、スケール間相互作用において重要な役割を果たす。

論文

国際核融合エネルギー研究センターの高性能計算機システムHeliosを利用した国内シミュレーション研究プロジェクトの進展

石澤 明宏*; 井戸村 泰宏; 今寺 賢志*; 糟谷 直宏*; 菅野 龍太郎*; 佐竹 真介*; 龍野 智哉*; 仲田 資季*; 沼波 政倫*; 前山 伸也*; et al.

プラズマ・核融合学会誌, 92(3), p.157 - 210, 2016/03

幅広いアプローチ協定に基づいて国際核融合エネルギー研究センター(IFERC)の計算機シミュレーションセンター(CSC)に設置された高性能計算機システムHeliosは、2012年1月に運用を開始し、日欧の磁気核融合シミュレーション研究に供用され、高い利用率の実績を示すとともに、炉心プラズマ物理から炉材料・炉工学にわたる広い分野で多くの研究成果に貢献している。本プロジェクトレビューの目的は、国内の大学や研究機関においてHeliosを利用して進められているシミュレーション研究プロジェクトとその成果を一望するとともに、今後予想される研究の進展を紹介することである。はじめにIFERC-CSCの概要を示した後、各研究プロジェクト毎にその目的、用いられる計算手法、これまでの研究成果、そして今後必要とされる計算を紹介する。

論文

Improved strong scaling of a spectral/finite difference gyrokinetic code for multi-scale plasma turbulence

前山 伸也; 渡邉 智彦*; 井戸村 泰宏; 仲田 資季; 沼波 政倫*; 石澤 明宏*

Parallel Computing, 49, p.1 - 12, 2015/11

 被引用回数:4 パーセンタイル:42.44(Computer Science, Theory & Methods)

Optimization techniques of a plasma turbulence simulation code GKV for improved strong scaling are presented. This work is motivated by multi-scale plasma turbulence extending over multiple spatio-temporal scales of electrons and ions, whose simulations based on the gyrokinetic theory require huge calculations of five-dimensional (5D) computational fluid dynamics by means of spectral and finite difference methods. First, we present the multi-layer domain decomposition of the multi-dimensional and multi-species problem, and segmented MPI-process mapping on 3D torus interconnects, which fully utilizes the bi-section bandwidth for data transpose and reduces the conflicts of simultaneous point-to-point communications. These techniques reduce the inter-node communication cost drastically. Second, pipelined computation-communication overlaps are implemented by using the OpenMP/MPI hybrid parallelization, which effectively mask the communication cost. Thanks to the above optimizations, GKV achieves excellent strong scaling up to $$sim$$600 k cores with high effective parallelization rate $$sim$$99.99994% on K, which demonstrates its applicability and efficiency toward a million of cores. The optimized code realizes multi-scale plasma turbulence simulations covering electron and ion scales, and reveals cross-scale interactions of electron- and ion-scale turbulence.

論文

Effects of toroidal rotation shear and magnetic shear on thermal and particle transport in plasmas with electron cyclotron heating on JT-60U

吉田 麻衣子; 本多 充; 成田 絵美*; 林 伸彦; 浦野 創; 仲田 資季; 宮戸 直亮; 竹永 秀信; 井手 俊介; 鎌田 裕

Nuclear Fusion, 55(7), p.073014_1 - 073014_9, 2015/07

 被引用回数:10 パーセンタイル:28.84(Physics, Fluids & Plasmas)

多くのトカマク装置では電子サイクロトロン加熱(ECH)時に熱や粒子の輸送が増大することが観測されており、ITERではECHを伴う運転シナリオの開発にとって重要な課題となっている。この課題を解決するために、JT-60Uの正磁気シアHモード放電、内部輸送障壁を伴う弱磁気シア放電と負磁気シア放電において、ECH印加時に熱及び粒子輸送が増加しない条件を調査した。その結果、トロイダル回転シアが負の大きい値をとる条件では、電子サイクロトロン加熱時のイオン熱輸送の上昇が抑えられることが分かった。この条件は、イオン温度対電子温度の比や、電子加熱パワーに寄らないことを明らかにした。磁気シアが負の値をとる条件では、その値の大きさに寄らず、電子熱輸送と粒子輸送が増加しないことが分かった。これらの結果は、ITERでのECH加熱シナリオの開発や電子加熱が主体となるITER及び原型炉でのプラズマ輸送特性の予知に重要な知見を与える。

論文

Integrated modelling of toroidal rotation with the 3D non-local drift-kinetic code and boundary models for JT-60U analyses and predictive simulations

本多 充; 佐竹 真介*; 鈴木 康浩*; 吉田 麻衣子; 林 伸彦; 神谷 健作; 松山 顕之; 篠原 孝司; 松永 剛; 仲田 資季; et al.

Nuclear Fusion, 55(7), p.073033_1 - 073033_11, 2015/07

 被引用回数:5 パーセンタイル:55.24(Physics, Fluids & Plasmas)

The integrated simulation framework for toroidal momentum transport is developed, which self-consistently calculates the neoclassical toroidal viscosity (NTV), the radial electric field $$E_r$$ and the resultant toroidal rotation $$V_phi$$ together with the scrape-off-layer(SOL)-physics based boundary model. The coupling of three codes, the 1.5D transport code, TOPICS, the 3D equilibrium code, VMEC and the 3D $$delta f$$ drift-kinetic equation solver, FORTEC-3D, makes it possible to calculate the NTV due to the non-axisymmetric perturbed magnetic field caused by toroidal field coils. Analyses reveal that the NTV significantly influences $$V_phi$$ in JT-60U and $$E_r$$ holds the key to determine the NTV profile. The sensitivity of the $$V_phi$$ profile to the boundary rotation necessitates a boundary condition modelling for toroidal momentum. Owing to the high-resolution measurement system in JT-60U, the $$E_r$$ gradient is found to be virtually zero at the separatrix regardless of toroidal rotation velocities. Focusing on $$E_r$$, the boundary model of toroidal momentum is developed in conjunction with the SOL/divertor plasma code D5PM. This modelling realizes self-consistent predictive simulations for operation scenario development in ITER.

論文

Cross-scale interactions between electron and ion scale turbulence in a tokamak plasma

前山 伸也*; 井戸村 泰宏; 渡邉 智彦*; 仲田 資季*; 矢木 雅敏; 宮戸 直亮; 石澤 明宏*; 沼波 政倫*

Physical Review Letters, 114(25), p.255002_1 - 255002_5, 2015/06

 被引用回数:37 パーセンタイル:5.92(Physics, Multidisciplinary)

実イオン・電子質量比かつ実$$beta$$値のマルチスケールジャイロ運動論的乱流シミュレーションをはじめて実現した。ここで、$$beta$$値はプラズマ圧力と磁気圧の比によって与えられ、微視的不安定性に対する電磁効果を特徴付ける。電子・イオンスケールのスケール間相互作用を明らかにするために両スケールにおける数値解析を行った。実質量比のスケール分離があっても、イオンスケール乱流が電子スケールストリーマを消去し、イオンだけでなく電子の熱輸送も支配する。また、イオンスケールモードが有限$$beta$$効果によって安定化される場合には乱流輸送への電子スケールダイナミクスの寄与は無視できなくなり、イオンスケール乱流輸送を増大させることがわかった。

論文

Roles of argon seeding in energy confinement and pedestal structure in JT-60U

浦野 創; 仲田 資季; 相羽 信行; 久保 博孝; 本多 充; 林 伸彦; 吉田 麻衣子; 鎌田 裕; JT-60チーム

Nuclear Fusion, 55(3), p.033010_1 - 033010_9, 2015/03

 被引用回数:13 パーセンタイル:19.51(Physics, Fluids & Plasmas)

JT-60UにおけるHモードプラズマへのアルゴン入射効果を調べた。従来のHモードでは密度の増加とともに閉じ込め性能は低下するが、アルゴン入射によって閉じ込め劣化を回避することができる。特に高密度領域ではアルゴン入射によって電子密度分布は中心ピーク型となり、周辺及びコア部の温度が上昇する。アルゴン入射時にはELM周波数が大きく低減するが、これは主プラズマ領域での放射損失の増大によりセパラトリクスを通過するパワーが減少するためである。アルゴン入射による周辺プラズマ圧力自体の増加は小さいことが分かった。

論文

Integrated modeling of toroidal rotation with the 3D non-local drift-kinetic code and boundary models for JT-60U analyses and predictive simulations

本多 充; 佐竹 真介*; 鈴木 康浩*; 吉田 麻衣子; 林 伸彦; 神谷 健作; 松山 顕之; 篠原 孝司; 松永 剛; 仲田 資季; et al.

Proceedings of 25th IAEA Fusion Energy Conference (FEC 2014) (CD-ROM), 8 Pages, 2014/10

The integrated framework for toroidal momentum transport is developed, which self-consistently calculates the neoclassical toroidal viscosity (NTV), the radial electric field $$E_r$$ and resultant toroidal rotation together with the scrape-off-layer (SOL) physics-based boundary model. The coupling of three codes, TOPICS, VMEC and FORTEC-3D, can calculate rotation caused by the NTV due to the non-axisymmetric perturbed magnetic field caused by toroidal field coils. It is found that the NTV influences toroidal rotation in JT-60U and $$E_r$$ holds the key to determine the NTV profile. The sensitivity of the toroidal rotation profile to the boundary rotation necessitates the boundary condition modeling. From the measurement in JT-60U, the $$E_r$$ gradient is found to be insensitive at the separatrix. Focusing on $$E_r$$, the boundary model of toroidal momentum is developed in conjunction with the SOL/divertor plasma code. This modeling realizes self-consistent predictive simulations for operation scenario development in ITER.

論文

Role of seed impurity for H-mode plasmas in JT-60U

浦野 創; 仲田 資季; 相羽 信行; 久保 博孝; 本多 充; 吉田 麻衣子; 林 伸彦; 鎌田 裕; JT-60チーム

Europhysics Conference Abstracts (Internet), 38F, p.P4.018_1 - P4.018_4, 2014/06

JT-60UにおけるHモードプラズマへのアルゴン入射効果を調べた。従来のHモードでは密度の増加とともに閉じ込め性能は低下するが、アルゴン入射によって閉じ込め劣化を回避することができる。特に高密度領域ではアルゴン入射によって周辺及びコア部の温度が上昇し、電子密度分布は中心ピーク型となる。アルゴン入射時にはELM周波数が大きく低減するが、これは主プラズマ領域での放射損失の増大によりセパラトリクスを通過するパワーが減少するためである。アルゴン入射による周辺プラズマ圧力自体の増加は小さいことが分かった。

論文

Exploring phase space turbulence in magnetic fusion plasmas

渡邉 智彦*; 井戸村 泰宏; 前山 伸也; 仲田 資季; 洲鎌 英雄*; 沼波 政倫*; 石澤 明宏*

Journal of Physics; Conference Series, 510, p.012045_1 - 012045_11, 2014/05

 パーセンタイル:100

配位空間と速度空間を含む位相空間において分布関数と電磁場の揺らぎを伴うプラズマ乱流が発展する。磁場核融合プラズマにおける分布関数の詳細構造を超並列計算機上で実行されるジャイロ運動論シミュレーションによって明らかにした。ドリフト波乱流のジャイロ運動論シミュレーションによって位相空間におけるエントロピー移送、ヘリカル磁場による帯状流の増大と輸送低減を示した。最先端の高性能数値計算をイオンスケールと電子スケールを含むマルチスケール乱流シミュレーション、および、ITER規模の大域的乱流輸送シミュレーションに適用した。

論文

Comparison between kinetic-ballooning-mode-driven turbulence and ion-temperature-gradient-driven turbulence

前山 伸也; 石澤 明宏*; 渡邉 智彦*; 仲田 資季; 宮戸 直亮; 矢木 雅敏; 井戸村 泰宏

Physics of Plasmas, 21(5), p.052301_1 - 052301_12, 2014/05

 被引用回数:7 パーセンタイル:48.08(Physics, Fluids & Plasmas)

Electromagnetic turbulence driven by kinetic ballooning modes (KBMs) in high-beta plasma is investigated based on the local gyrokinetic model. Analysis of turbulent fluxes, norms and phases of fluctuations shows that KBM turbulence gives narrower spectra and smaller phase factors than those in ion-temperature-gradient (ITG)-driven turbulence. This leads to the smaller transport fluxes in KBM turbulence than those in ITG turbulence even when they have similar linear growth rates. From the analysis of the entropy balance relation, it is found that the entropy transfer from ions to electrons through the field-particle interactions mainly drives electron perturbations, which creates radially twisted modes by rapid parallel motions of electrons in a sheared magnetic geometry. The nonlinear coupling between the dominant unstable mode and its twisted modes is important for the saturation of KBM turbulence, in contrast to the importance of zonal flow shearing in ITG turbulence.

論文

Progress of full-f gyrokinetic simulation toward reactor relevant numerical experiments

井戸村 泰宏; 仲田 資季; Jolliet, S.*

Plasma and Fusion Research (Internet), 9(Sp.2), p.3503028_1 - 3503028_7, 2014/04

Full-fジャイロ運動論シミュレーションは乱流輸送と分布形成の両方を実験と同様の一定の加熱、運動量、および、粒子入力条件のもとで計算する。シミュレーションの時間スケールがエネルギー、運動量、および、粒子のバランス条件を成立するのに十分長ければ、この手法はプラズマ分布を決定することができる。近年のペタスケール計算機によってそのような長時間スケールシミュレーションが可能となり、full-fジャイロ運動論シミュレーションが核融合炉の数値実験に適用されるようになった。本論文ではジャイロ運動論的full-fオイラーコードGT5Dの物理モデル、数値手法、および、精度検証についてまとめ、さらに乱流輸送のプラズマサイズおよび加熱パワーに関する輸送スケーリング研究に関する最近の応用事例を概説する。

論文

Local gyrokinetic Vlasov simulations with realistic tokamak MHD equilibria

仲田 資季; 松山 顕之; 相羽 信行; 前山 伸也; 沼波 政倫*; 渡邉 智彦*

Plasma and Fusion Research (Internet), 9, p.1403029_1 - 1403029_12, 2014/04

局所ジャイロ運動論乱流シミュレーションコードGKVへ、MHD平衡コードMEUDASから計算される実トカマクMHD平衡データが新たに組み込まれた。拡張されたコードは他の計算コードとのベンチマークテストにより実装の健全性検証が行われ、ITG不安定性の分散関係の良い一致が確認された。さらに、本コードを用いて、JT-60SAトカマク装置で期待されている2種類のプラズマ平衡[ITER-like平衡およびHighly-shaped平衡]に対するITG不安定性解析および残留ゾーナルフロー解析を実施した。計算結果の詳細な比較により、ITER-like平衡に比べHighly-shaped平衡の方が、相対的に低いITG不安定性成長率と高い残留ゾーナルフローレベルを示すことが明らかとなり、より高い安定性特性を示すことが確認された。

論文

Kinetic ballooning mode turbulence simulation based on electromagnetic gyrokinetics

前山 伸也; 石澤 明宏*; 渡邉 智彦*; 仲田 資季; 宮戸 直亮; 井戸村 泰宏

Plasma and Fusion Research (Internet), 9, p.1203020_1 - 1203020_3, 2014/03

The kinetic ballooning mode (KBM) turbulence in Tokamak plasma is investigated by electromagnetic gyrokinetic simulations. From the entropy balance analysis, it is revealed that the field-particle interactions transfer a significant fraction of the ion entropy produced by the instability to electrons. Then, the produced ion entropy balances to the sum of the ion and electron dissipations at the saturation of the KBM instability growth, in contrast to ITG turbulence where ion entropy production mostly balances to ion dissipation.

論文

Communication-overlap techniques for improved strong scaling of gyrokinetic Eulerian code beyond 100k cores on the K-computer

井戸村 泰宏; 仲田 資季; 山田 進; 町田 昌彦; 今村 俊幸*; 渡邉 智彦*; 沼波 政倫*; 井上 晃*; 堤 重信*; 三吉 郁夫*; et al.

International Journal of High Performance Computing Applications, 28(1), p.73 - 86, 2014/02

 被引用回数:10 パーセンタイル:21.5(Computer Science, Hardware & Architecture)

A plasma turbulence research based on five dimensional (5D) gyrokinetic simulations is one of the most critical and demanding issues in fusion science. To pioneer new physics regimes both in problem sizes and in time scales, an improvement of strong scaling is essential. In this work, the strong scaling and the parallel efficiency of a gyrokinetic toroidal 5D Eularian code GT5D is dramatically improved by novel developing communication overlap techniques. On the K-computer, excellent strong scaling is achieved beyond 100 k cores with keeping the sustained performance of $$sim$$ 10% ($$sim$$ 307 TFlops using 196,608 cores), and simulations for next generation large-scale fusion experiments are significantly accelerated.

論文

Plasma size and power scaling of ion temperature gradient driven turbulence

井戸村 泰宏; 仲田 資季

Physics of Plasmas, 21(2), p.020706_1 - 020706_4, 2014/02

 被引用回数:10 パーセンタイル:34.79(Physics, Fluids & Plasmas)

熱流束を固定したfull-$$f$$ジャイロ運動論オイラーコードを用いてイオン温度勾配駆動乱流におけるプラズマサイズと加熱パワーに関する輸送スケーリングを調べた。加熱パワーをプラズマサイズとともにスケールすると、$$delta$$-$$f$$シミュレーションがgyro-Bohm則を予測する局所極限領域において、イオン熱拡散係数がプラズマサイズとともに増大することがわかった。この局所極限領域では輸送スケーリングは加熱パワーによる閉じ込め劣化現象をもたらすイオン温度の硬直性によって大きく影響される。

論文

Plasma size and collisionality scaling of ion-temperature-gradient-driven turbulence

仲田 資季; 井戸村 泰宏

Nuclear Fusion, 53(11), p.113039_1 - 113039_16, 2013/11

 被引用回数:14 パーセンタイル:28.64(Physics, Fluids & Plasmas)

イオン温度勾配駆動(ITG)乱流に対して、固定熱流(FF), 固定勾配(FG)、及び局所フラックスチューブ(FT)モデルに基づくジャイロ運動論シミュレーションを用いたモデル間比較を行った。温度勾配が臨界安定よりも十分大きな状態において熱輸送係数の衝突度($$nu^{ast}$$)依存性の検証を行った結果、FF及びFTモデルにおいては衝突度に対する弱い依存性が確認され、関連する物理機構を明らかにした。一方、FGモデルに対しては、固定勾配を実現する可変ソースがITG安定性を変化させることによって乱流熱輸送レベルに強い衝突度依存性をもたらす物理機構を明らかにした。また、FFモデルを用いたプラズマサイズ($$rho^{ast}$$)依存性の調査を行い、分布シアの効果が弱くなる局所極限領域においても熱輸送スケーリングがボーム依存性を示すことが確認された。乱流データ解析の結果、平均温度勾配が同様の値を示していても、雪崩的輸送現象に付随した過渡的なパワーバランスの変化がボーム的熱輸送を生じさせるといったFFモデル特有の輸送機構を明らかにした。さらに、乱流輸送についての統計的性質を比較し、FF, FG及びFTモデル間の差異や共通性を示した。

論文

Computation-communication overlap techniques for parallel spectral calculations in gyrokinetic Vlasov simulations

前山 伸也; 渡邉 智彦*; 井戸村 泰宏; 仲田 資季; 沼波 政倫*; 石澤 明宏*

Plasma and Fusion Research (Internet), 8, p.1403150_1 - 1403150_8, 2013/11

We extend our gyrokinetic Vlasov simulation code GKV to run efficiently on peta-scale supercomputers. A key numerical technique is the parallel Fast Fourier Transform (FFT) required for parallel spectral calculations, where masking of the cost of inter-node transpose communications is essential to improve strong scaling. To mask communication costs, computation-communication overlap techniques are applied for FFTs and transpose with the help of the hybrid parallelization of message passing interface and open multi-processing. Integrated overlaps including whole spectral calculation procedures show better scaling than simple overlaps of FFTs and transpose. The masking of communication costs significantly improves strong scaling of the GKV code, and makes substantial speed-up toward multi-scale turbulence simulations.

論文

Temporal and spatial responses of temperature, density and rotation to electron cyclotron heating in JT-60U

吉田 麻衣子; 井手 俊介; 竹永 秀信; 本多 充; 浦野 創; 小林 貴之; 仲田 資季; 宮戸 直亮; 鎌田 裕

Nuclear Fusion, 53(8), p.083022_1 - 083022_10, 2013/07

 被引用回数:4 パーセンタイル:72.63(Physics, Fluids & Plasmas)

JT-60装置の閉じ込め改善モード(H-mode)のプラズマと内部障壁(ITB)を有するプラズマにおいて、電子サイクロトロン加熱(ECH)時のイオン系と電子系の応答特性と輸送について調べ、以下のことを明らかにした。ECHにより電子温度は上昇し、イオン温度は減少する。イオン温度の減少するタイムスケールは、H-modeにおいてはECH入射位置で短く、ITBプラズマにおいてはITBの形成位置で短い。ECHのパワーが増加すると、イオンの熱輸送係数と電子の熱輸送係数はともに増加する。電子密度がピークしている場合に、ECHによる電子密度の減少が起こる。トロイダル回転速度は、ECHを入射すると零回転からプラズマ電流とは逆方向に変化する特性を持つ(ECHによる自発回転の存在)。この回転の変化は、イオン温度の減少や電子温度の上昇のタイムスケールより2倍以上長い。ECH入射付近では、トロイダル回転速度の変化と電子温度の変化は相関しているのに対して、トロイダル回転が変化する半径位置は電子温度やイオン温度が変化する位置より広い。

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