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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

Nonlinear behaviour of collisionless double tearing mode induced by electron inertia

松本 太郎; 内藤 裕志*; 徳田 伸二; 岸本 泰明*

Nuclear Fusion, 45(11), p.1264 - 1270, 2005/11

 被引用回数:10 パーセンタイル:62.91(Physics, Fluids & Plasmas)

核融合プラズマの中心部のような高温になると電気抵抗が小さくなるとともに、電子慣性等の非衝突効果(運動論的効果)が磁気再結合過程に深くかかわる。本研究では、これらプラズマの粒子性を物理的に忠実に取り扱う観点から、ジャイロ運動論的粒子モデルを用いた3次元シミュレーションにより、反転磁気シア配位トカマクにおける磁気再結合を伴うMHD不安定性に対する運動論的効果の解明を目的とした。反転磁気シア配位において二つの共鳴面の距離が近いと、互いの共鳴面における摂動が結合し、ダブルテアリングモード(DTM)と呼ばれる内部モードが生じる。高温プラズマにおいて電子慣性により誘起される運動論的DTMは、抵抗性モデルにより予期されるものより、速い内部崩壊を引き起こし得ることが明らかとなった。さらに、内部崩壊により掃き出された電流は、DTMが作り出した静電ポテンシャルに導かれて凹型に再集中し得ることが明らかになった。本研究は、低ベータ負磁気シア実験におけるディスラプション機構の一端を示しており、またDTMを経た電流分布の再分配により負磁気シア配位を再構築し得ることを示唆している。

論文

Nonlinear acceleration of the electron inertia-dominated magnetohydrodynamic modes due to electron parallel compressibility

松本 太郎; 内藤 裕志*; 徳田 伸二; 岸本 泰明

Physics of Plasmas, 12(9), p.092505_1 - 092505_7, 2005/09

 被引用回数:2 パーセンタイル:92.45(Physics, Fluids & Plasmas)

磁気流体力学(MHD)不安定性の研究は、プラズマを閉じ込める磁気面の保持/再生にかかわる、トカマク炉心プラズマ研究の中心課題である。核融合プラズマの中心部のような高温になると電気抵抗が小さくなるとともに、むしろ電子慣性,有限ラーマ半径等の非衝突効果(運動論的効果)が磁気再結合過程に深くかかわる。本研究では、ジャイロ運動論的粒子モデルを用いた3次元シミュレーションにより、磁気再結合を伴うMHD不安定性に対する運動論的効果の解明を目的とした。電子慣性の特徴的長さは電子スキン長であるが、それと比較して磁気再結合にかかわる他の素過程の特性長(イオンラーマ半径,抵抗層の厚さ等)が小さい場合、キンクモードは主として電子慣性によって誘起されると考えられる。しかし、このような電子慣性が支配的な運動論的キンクモードに対して、磁力線方向の電子圧縮性がわずかに存在する場合は、磁気再結合点近傍の電流構造を非線形的にY型からX型に変化させる。それゆえ、線形成長過程において電子慣性により支配されていたモードは、非線形的に成長率を加速させ、ある一定以上の成長率に達して内部崩壊に至ることが明らかとなった。また、このような非線形加速は、DTM等の内部モードに共通して現れる現象であることも判明した。

論文

Generation of radial electric field induced by collisionless internal kink mode with density gradient

松本 太郎; 徳田 伸二; 岸本 泰明; 内藤 裕志*

Physics of Plasmas, 10(1), p.195 - 203, 2003/01

 被引用回数:5 パーセンタイル:81.58(Physics, Fluids & Plasmas)

高温プラズマにおける磁力線の再結合現象の要因として、温度上昇に伴い低減する電子の衝突による抵抗に加えて、温度に依存しない電子慣性などのプラズマの粒子性に起因する運動論的な効果が重要な役割を担うと考えられる。本研究ではプラズマ中における鋸歯状振動の内部崩壊現象の非線形的な振る舞いを解明するために、ジャイロ運動論的粒子モデルに密度勾配の効果を考慮した無衝突m=1モードのシミュレーションを行ってきた。完全磁気再結合過程は変化させない程度の密度勾配が、自己形成径電場、すなわちm=0モードを生成し、この径電場が二次再結合及び安全係数分布の時間発展等の完全再結合後の現象を大きく変化させることが明かにされた。径電場の成長メカニズムは、イオンと電子のE$$times$$Bドリフトの差異により説明され、その差異は磁場方向の電子の速い運動が引き起こしている。m=1モードによる対照的なフローにより、一度径電場が引き起こされると、m=0モードがm=1モードと同レベルまで成長し、イオン反磁性方向にE$$times$$Bプラズマ回転を駆動する。完全再結合後の密度及び電流分布、そして安全係数の最小値は、m=1及びm=0モードによる非対称フローによって大きく影響される。

論文

Effect of electron parallel compressibility on collisionless MHD modes

松本 太郎; 徳田 伸二; 岸本 泰明; 内藤 裕志*

Journal of Plasma and Fusion Research SERIES, Vol.5, p.523 - 526, 2002/00

近年、トカマク装置の大型化及び加熱手法の進展によりプラズマが超高温になるため、MHDモードに対してプラズマ抵抗の効果に加えて、電子の慣性及び磁場方向の電子の密度摂動などの効果が重要になりつつある。このような背景から、本研究ではトカマクプラズマにおける速いディスラプション現象の解明を目的として、電子慣性を包含するジャイロ運動論的粒子モデルを用いて、m=1無衝突キンクモード及びm=2無衝突ダブルテアリングモードの非線形シミュレーションを行っている。イオンの有限ジャイロ半径効果($$rho$$s)と電子スキン長($$delta$$e)とが同程度である$$rho$$s$$sim$$$$<$$$$delta$$eのパラメーター領域において、無衝突m=1モードのシミュレーションを行った結果、非線形的に成長率が増大する結果が得られた。これは、線形成長過程では電子の慣性が支配的であるが、磁場方向の電子の密度摂動の効果によりX型の電流シート構造を形成し、モードの成長を加速させることが原因と考えられる。この現象は、従来$$rho$$s$$sim$$$$gg$$$$delta$$eの領域ににおいて議論されていたが、今回$$rho$$s$$sim$$$$<$$$$delta$$eの領域においても生じることが明らかとなった。

論文

Generation of radial electric field in the process of full reconnection by kinetic kink mode

松本 太郎; 徳田 伸二; 岸本 泰明; 内藤 裕志*

Earth Planets and Space, 53(6), p.565 - 570, 2001/06

 被引用回数:0 パーセンタイル:100(Geosciences, Multidisciplinary)

高温プラズマは無衝突状態に近いため、オームの法則に対してプラズマ抵抗よりも、むしろ電子慣性の効果が本質的である。したがって、磁力線の再結合を伴う巨視的な電磁流体力学(MHD)的現象に対して、プラズマの粒子性に起因する運動論的効果が重要な役割を果たすことが考えられる。本研究では、トカマクプラズマで観測される鋸歯状振動における内部崩壊現象の非線形的な振る舞いを解明するために、ジャイロ運動論モデルに密度勾配の効果を考慮し、無衝突m=1内部モードのシミュレーションを行った。線形成長率及び内部崩壊過程を変化させないような小さな密度勾配が、非線形的半径方向の電場を生成し、崩壊後の振る舞いを大きく変化させることが明らかとなった。これは、磁力線方向の電子の速い運動を考慮することにより、理論的に説明される。本発表では、これらの数値トカマク実験(NEXT)研究における最新の成果を報告する。

論文

内部キンクモードと運動論的効果

内藤 裕志*; 松本 太郎

プラズマ・核融合学会誌, 77(6), p.549 - 552, 2001/06

プラズマ中に反平行磁場がある場合、磁気中性点において磁気再結合が生じ、磁気のエネルギーが開放される。このような磁気再結合現象は天体プラズマやさまざまな実験室プラズマにおいて幅広く観測されている。プラズマが磁力線に凍りついている理想的な状態では、磁場の変化に伴って磁力線方向の誘導電場が生じると、電子が速やかに動いてこれを打ち消すため磁気再結合は起こらないが、電子の磁場方向の運動を妨げる効果がある場合には、誘導電場が残るため磁気再結合が引き起こされる。核融合炉においては、高温であるためプラズマ抵抗は小さく、それよりもむしろ電子の有限の慣性効果が電子運動の遅延に寄与すると考えられる。本報告では、トカマクプラズマを例に挙げ、電子慣性による磁気再結合が引き起こす内部崩壊現象について、数値トカマク実験(NEXT)研究における最新の成果を交えて紹介する。

論文

Generation of radial electric field in the process of full reconnection by kinetic kink mode

松本 太郎; 徳田 伸二; 岸本 泰明; 内藤 裕志*

Earth Planets and Space, 53(6), p.565 - 570, 2001/00

高温プラズマにおいてはプラズマの抵抗が小さいため、磁力線の再結合現象の要因として、電子慣性などのプラズマの粒子性に起因する運動論的な効果が重要な役割を演じ始めている。本研究では、プラズマ中の鋸歯状振動の内部崩壊現象の非線形的な振る舞いを解明するために、ジャイロ運動論的粒子モデルに密度勾配の効果を考慮し、運動論的m=1モードのシミュレーションを行った。その結果、密度勾配効果による径電場の成長が内部崩壊後の非線形的な振る舞いを大きく変えることが示されたが、これは磁力線方向の電子の速い運動を考慮することにより、理論的に説明される。本発表では、運動論的効果を考慮したこれら径電場の自己形成に関する理論とともに、数値トカマク(NEXT)研究における粒子シミュレーションの成果を報告する。

論文

Gyro-kinetic simulations of internal collapse in reversed magnetic shear tokamak

松本 太郎; 徳田 伸二; 岸本 泰明; 内藤 裕志*

IAEA-CN-77 (CD-ROM), 8 Pages, 2001/00

近年JT-60Uを始めとする負磁気シア配位トカマクプラズマにおいて、最小安全係数が2に達する際に、アルフベンの速いタイムスケールのプラズマ崩壊現象が観測されている。これは、プラズマが高温であるため、ダブルテアリングモードに対し、プラズマ抵抗よりもむしろ電子慣性の効果が本質的な役割を果たすためと考えられる。本研究では、このような速い崩壊現象の解明を目的として、電子慣性を包含する流体モデル及び粒子モデルを用いてダブルテアリングモードの線形及び非線形シミュレーションを行った。その結果、電子慣性により誘起された電場がアルフベンのタイムスケールで外側共鳴面より内部の分布平坦化現象(内部崩壊現象)を引き起こすことが明らかとなった。これは、JT-60U装置において観測されている速いディスラプション現象の一端を説明し得る。本発表では、数値トカマク研究におけるこれらの成果を報告する。

論文

Gyro-kinetic particle simulation of m=1 internal kink mode in the presence of density gradient

松本 太郎; 徳田 伸二; 岸本 泰明; 滝塚 知典; 内藤 裕志*

プラズマ・核融合学会誌, 75(10), P. 1194, 1999/10

プラズマにおける鋸歯状振動の内部崩壊現象の非線形的な振る舞いを解明するために、ジャイロ運動論的粒子モデルに密度勾配の効果を考慮し、円柱プラズマにおける運動論的m=1内部キンクモードのシミュレーションを行った。一様密度の場合の成長率よりも小さい反磁性周波数を与える密度勾配は、このモードの線形成長課程に及ぼす影響は小さく、プラズマは完全磁気再結合を伴って内部崩壊することが示された。しかし、再結合後に自己生成する径電場のために、非線形課程が大きく変化することが明らかになった、これは、一様密度の場合に得られたトロイダル電場の対照的な流れは、非一様密度の場合は密度勾配によって生じる径電場により対称性が破られることが原因と考えられる。この結果、電流の再集中が阻害され、二次的な磁力線再結合が抑制されることが明らかになった。本発表では、数値トカマク研究におけるこれらの成果を報告する。

論文

Complex behavior of internal collapse due to self-generated radial electric field

松本 太郎; 徳田 伸二; 岸本 泰明; 滝塚 知典; 内藤 裕志*

Journal of Plasma and Fusion Research SERIES, Vol.2, p.97 - 100, 1999/00

プラズマ中における鋸歯状振動の内部崩壊現象の非線形的な振る舞いを解明するために、ジャイロ運動論的粒子モデルに密度勾配の効果を考慮し、円柱プラズマにおける運動論的m=1内部キンクモードのシミュレーションを行った。一様密度の場合の内部キンクモードの成長率よりも反磁性周波数が小さい場合、密度勾配は内部キンクモードの線形成長率に与える影響は小さく、磁力線の完全再結合が生じる。しかし、再結合後に自己生成する径電場のために、このモードの非線形過程が大きく変化する結果が得られた。一様密度の場合に得られたトロイダル電流の対称的な流れは、密度勾配によって生じる径電場により対称性が破られる。そのために電流の集中が阻害され、二次的な磁力線の再結合が制御されるという結果が得られた。本発表では、数値トカマク(NEXT)研究におけるこれらの成果を報告する。

論文

A Particle-fluid hybrid simulation model based on nonlinear gyrokinetics

徳田 伸二; 内藤 裕志*; W.W.Lee*

プラズマ・核融合学会誌, 74(1), p.44 - 53, 1998/01

非線形ジャイロ運動論にもとづく自己無撞着な粒子-流体ハイブリッド・シミュレーション・モデルの定式化を行った。この定式化においては電子慣性の効果を残す。電子の分布関数から電子流体の方程式を導出する際、特性関数とキュムラント関数を利用する。この方法は電子の分布関数からモーメント方程式を導く統一的な方法である。また、非線形なブラゾフ-ポアソン-アンペールシステムにおけるエネルギー保存則を調べ、このハイブリッドシステムは厳密なエネルギー保存則が成立することを明らかにした。ここで提案するハイブリッド・シミュレーション・モデルは無衝突m=1モード不安定性(m:ポロイダル・モード数)等の電子慣性の重要な運動論的MHDモードの研究に適している。

論文

Parallelization of 3D gyrokinetic particle code: GYRO3D using MPI and its performance evaluation on parallel computers

今村 俊幸; 徳田 伸二; 内藤 裕志*

Proc. of SARATOGA 1997, 2, p.1434 - 1443, 1997/00

本論文では、原研ですすめられている数値トカマク(NEXT)プロジェクトの中核をなすジャイロ運動論的粒子コードGYRO3Dコード並列化について報告している。我々は並列化において業界標準となりつつあるMPI(Message Passing Interface)を用いることで、可盤性を確保し様々な並列計算機上で動作可能なコード作成に成功した。我々の並列化したコードは中目黒に設置してある複合並列計算機中の4台で動作し、並列化効率は良好なものであった。いくつかのスカラ機上ではスーパリニアな性能向上が確認されたが、SR2201の模擬ベクトル機構との比較からキャッシュミスがその原因であり、GYRO3Dに内在する重要な問題であることが確認された。

論文

Massively parallel computing with plasma simulation codes in tokamak reseach

徳田 伸二; 滝塚 知典; 岸本 泰明; 山極 満; 清水 勝宏; 石井 康友; 安積 正史; 内藤 裕志*

ANU-PRL-TP-96/01, 0, p.70 - 72, 1996/00

トカマクプラズマの運動論的な不安定性を研究する上で重要な粒子モデル・シミュレーションコードの並列計算研究を行っている。この研究は、スカラー並列計算とベクトル並列計算の両面からトカマク・プラズマのシミュレーションに適した並列計算手法の研究を目的としている。1次元静電近似粒子コード(1DPIC)および3次元電磁的ジャイロ運動論粒子コード(GYR3D)のParagon(Intel Paragon XP/256)上での並列化を行った。1DPICでは各ノードが空間のレプリカを持ち、粒子だけが分割される並列化を、また、GYR3Dでは領域分割を用いる並列化を行った。両コードともノード数に比例する並列化性能を得た。

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