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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:6 パーセンタイル:42.05(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:5 パーセンタイル:45.11(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

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:54 パーセンタイル:5.36(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

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

 被引用回数:17 パーセンタイル:21.83(Physics, Fluids & Plasmas)

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.

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

 被引用回数:0 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:9 パーセンタイル:46.31(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

Electromagnetic gyrokinetic turbulence in finite-beta helical plasmas

石澤 明宏*; 渡邉 智彦*; 洲鎌 英雄*; 前山 伸也; 中島 徳嘉*

Physics of Plasmas, 21(5), p.055905_1 - 055905_10, 2014/05

 被引用回数:13 パーセンタイル:32.69(Physics, Fluids & Plasmas)

A saturation mechanism for microturbulence in a regime of weak zonal flow generation is investigated by means of electromagnetic gyrokinetic simulations. The study identifies a new saturation process of the kinetic ballooning mode (KBM) turbulence originating from the spatial structure of the KBM instabilities in a finite-beta Large Helical Device (LHD) plasma. Specifically, the most unstable KBM in LHD has an inclined mode structure with respect to the mid-plane of a torus, i.e., it has a finite radial wave-number in flux tube coordinates, in contrast to KBMs in tokamaks as well as ion-temperature gradient modes in tokamaks and helical systems. The simulations reveal that the growth of KBMs in LHD is saturated by nonlinear interactions of oppositely inclined convection cells through mutual shearing as well as by the zonal flow. The saturation mechanism is quantitatively investigated by analysis of the nonlinear entropy transfer that shows not only the mutual shearing but also a self-interaction with an elongated mode structure along the magnetic field line.

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

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

 被引用回数:13 パーセンタイル:28.93(Computer Science, Interdisciplinary Applications)

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.

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

Gyrokinetic turbulence simulations of high-beta tokamak and helical plasmas with full-kinetic and hybrid models

石澤 明宏*; 前山 伸也; 渡邉 智彦*; 洲鎌 英雄*; 中島 徳嘉*

Nuclear Fusion, 53(5), p.053007_1 - 053007_13, 2013/05

 被引用回数:19 パーセンタイル:26.17(Physics, Fluids & Plasmas)

Turbulent transport 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 and for Large Helical Device (LHD) plasmas are quickly and accurately reproduced by the hybrid simulation. In the kinetic ballooning mode (KBM) driven turbulence the ion heat and particle fluxes are mainly caused by electrostatic perturbation, and the contribution of magnetic perturbation is small and negative. The electron heat flux is caused by both of electrostatic and magnetic perturbations. The numerical solutions satisfy the entropy balance equation, and the entropy variable is transferred from ions to electrons through electromagnetic perturbation. An analysis based on the entropy balance equation shows that the zonal structure is produced by magnetic nonlinearity corresponding to the Maxwell stress in the fluid limit but is weakened by electrostatic one related to the Reynolds stress. Linear analysis on the standard configuration of LHD plasmas shows the suppression of ion temperature gradient mode (ITG) by finite beta effects and the destabilization of KBM at high beta.

論文

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

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 $$beta$$ = 2% and $$eta$$ = 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 $$eta$$ = 0 ($$eta$$ = 3).

論文

Turbulence spectra, transport, and $$E$$$$times$$$$B$$ flows in helical plasmas

渡邉 智彦*; 沼波 政倫*; 洲鎌 英雄*; 佐竹 真介*; 松岡 清吉*; 石澤 明宏*; 前山 伸也; 田中 謙治*

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

Gyrokinetic simulation of ion temperature gradient turbulence and zonal flows for helical plasmas has been validated against the Large Helical Device experiments with high ion temperature, where a reduced modeling of ion heat transport is also considered. It is confirmed by the entropy transfer analysis that the turbulence spectrum elongated in the radial wavenumber space is associated with successive interactions with zonal flows. A novel multi-scale simulation for turbulence and zonal flows in poloidally-rotating helical plasmas has demonstrated strong zonal flow generation byturbulence, which implies that turbulent transport processes in non-axisymmetric systems are coupled to neoclassical transport through the macroscopic $$E$$$$times$$$$B$$ flows determined by the ambipolarty condition for neoclassical particle fluxes.

論文

Improved boundary layer analysis of forced magnetic reconnection due to a boundary perturbation

石澤 明宏; 徳田 伸二

Physics of Plasmas, 7(3), p.875 - 882, 2000/03

 被引用回数:14 パーセンタイル:55.48(Physics, Fluids & Plasmas)

プラズマ閉じ込め装置における誤差磁場のような外部攪乱は、プラズマ境界に摂動を与える。この境界摂動は、磁場配位が安定であっても、プラズマ内部に強制的に磁気再結合を引き起こし磁気島を形成させ閉じ込めを劣化させる。この問題の解析に有用な境界層理論において、境界層のプラズマの慣性の効果を正しく評価し、従来の理論の欠陥を正した。その結果、従来の結果と異なる磁気再結合の時間スケールを示した。また、この時、有理面には磁気島形成を妨げる方向(従来の理論と逆方向)に電流が誘起されることを、新たに示した。これらの新しい結果は、モードロッキング現象を含む誤差磁場問題及び新古典テアリングモードのシードアイランド形成問題に対する従来の基本的な理論モデルの中にあった誤りを正して得られたものであり、従来の理論的な評価に変更が必要なことを示している。

論文

Large coherent structure formation by magnetic stretching term in two-dimensional MHD turbulence

石澤 明宏*; 服部 裕司*

Journal of the Physical Society of Japan, 67(12), p.4302 - 4303, 1998/12

 被引用回数:7 パーセンタイル:47.25(Physics, Multidisciplinary)

電磁流体乱流は太陽風、トカマクのディスラプション時などにみられる、非常に乱雑なプラズマの流れである。電磁流体乱流の特徴は、自己組織化によって、この乱雑な構造の中に秩序的な構造が現れることである。電磁流体乱流の複雑性はその非常に強い非線形性に起因する。この非線形性を生じさせる非線形項は、電磁流体方程式の中にいくつかある。これらの非線形項の中でどの項が自己組織化に寄与しているのかを調べ、自己組織化の過程を理解することが論文の目的である。トカマクプラズマのような、強いトロイダル磁場がある場合、プラズマの運動はその磁場に垂直な面内に限られ二次元的になるので二次元電磁流体の乱流を考える。そして乱流の統計理論を用いて解析を行った。その結果、電磁流体方程式の中の磁場の引きのばし項によって秩序構造が生成されることを明らかにした。

論文

強制磁気再結合の線形解析

石澤 明宏*; 徳田 伸二

統計数理研究所共同研究リポート110, p.36 - 45, 1998/03

テイラーのモデルを用い、誤差磁場によって生じる強制磁気再結合の線形解析を行った。静磁場方程式に従う外部層と線形Reduced MHD方程式に従う内部層の接続条件を、磁束一定近似等を用いることなく、新たに導いた。この接続条件を用いて、磁気島の成長を表す再結合率を計算した。その結果、従来磁気相は単調に成長すると考えられていたのに対し、その解析に比べ磁気島の成長は抑えられるとともに、電流の減衰が弱まることを明らかにした。この結果はHahmが示した成長過程、Wangが示した成長過程のどちらとも異なる。また、再結合率を求める新しい方法として積分方程式を用いる方法を提唱した。

論文

Wavelet analysis of two-dimensional MHD turbulence

石澤 明宏*; 服部 裕司*

Journal of the Physical Society of Japan, 67(2), p.441 - 450, 1998/02

 被引用回数:11 パーセンタイル:37.78(Physics, Multidisciplinary)

電磁流体乱流のエネルギースペクトルは、慣性領域でKraichnanの相似則に従うことが知られていたが、近年、直接数値計算の結果、この相似則からのずれが確認されている。電磁流体方程式の直接数値計算の結果を、スケールと位置の情報を同時に表現できるウェーブレット展開を用いて解析した。その結果、実空間の全領域が、Kraichnanの相似則に従う乱流領域と、孤立したカレントシートに関連した相似則に従う秩序領域、の二つの領域が構成されることを示し、エネルギーの散逸構造が空間的に非一様であることに起因して、エネルギースペクトルがKraichnanの相似則からずれることを明らかにした。

口頭

Parallelization of a local gyrokinetic Vlasov simulation code for Peta-scale computing

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*

no journal, , 

To address multi-scale turbulence including temporal and spatial scales of electrons and ions, we extend our gyrokinetic Vlasov simulation code GKV to run efficiently on Peta-scale supercomputers. A key numerical technique is the parallel two-dimensional Fast Fourier Transform (FFT) required for evaluating the nonliear E$$times$$B advection term, where masking of the cost of inter-node transpose communications is essential to improve strong scaling. To mask communication costs, overlaps of computations and transpose communications is implemented with the help of the hybrid parallelization of message passing interface and open multiprocessing. Integrated overlaps including FFTs and calculations of the nonlinear E$$times$$B term show a better scaling than simple overlaps of transpose and FFTs. The masking of communication costs significantly improves strong scaling of the GKV code, and makes substantial speed-up toward multi-scale turbulence simulations.

口頭

An Implementation of parallel two-dimensional FFT in a local gyrokinetic Vlasov simulation code

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

no journal, , 

To address multi-scale turbulence simulations with high-resolutions in directions perpendicular to magnetic fields, it is necessary to parallelize perpendicular dynamics, which is solved by the spectral method with fast Fourier transform (FFT) algorithms in the GKV code. We have reported overlap methods of computations and communications for parallel 2D FFTs, and its impact on the computational costs. The results demonstrate that the integrated overlaps significantly improve strong scaling of the nonlinear E$$times$$B term calculation in the GKV code. The newly-developed overlap methods are applicable if one finds independent multi-dimensional FFTs, e. g., fluid simulations including some unknowns like density, velocity and temperature.

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