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論文

Parallel filtering in global gyrokinetic simulations

Jolliet, S.; McMillan, B. F.*; Villard, L.*; Vernay, T.*; Angelino, P.*; Tran, T. M.*; Brunner, S.*; Bottino, A.*; 井戸村 泰宏

Journal of Computational Physics, 231(3), p.745 - 758, 2012/02

 被引用回数:13 パーセンタイル:61.19(Computer Science, Interdisciplinary Applications)

In this work, a Fourier solver is implemented in the global Eulerian gyrokinetic code GT5D and in the global Particle-In-Cell code ORB5 in order to reduce the memory of the matrix associated with the field equation. This scheme is verified with linear and nonlinear simulations of turbulence. It is demonstrated that the straight-field-line angle is the coordinate that optimizes the Fourier solver, that both linear and nonlinear turbulent states are unaffected by the parallel filtering, and that the $$k_parallel$$ spectrum is independent of plasma size at fixed normalized poloidal wave number.

論文

Transport and turbulence with innovative plasma shapes in the TCV tokamak

Labit, B.*; Pochelon, A.*; Rancic, M.*; Piras, F.*; Bencze, A.*; Bottino, A.*; Brunner, S.*; Camenen, Y.*; Chattopadhyay, P. K.*; Coda, S.*; et al.

Proceedings of 23rd IAEA Fusion Energy Conference (FEC 2010) (CD-ROM), 8 Pages, 2011/03

We present recent results on turbulence measurements in TCV L-mode plasmas. The transport reduction at negative triangularity (compared to positive triangularity) is reflected in the reduction of the temperature fluctuation level, in the low frequency part of the spectrum (30-150 kHz), measured by correlation ECE in the outer equatorial plane. The TEM induced transport computed from nonlinear gyrokinetic simulations is shown to decrease with decreasing triangularity and increasing collisionality. First results of an experimental scenario to reach the H-mode regime at negative triangularity in TCV are presented. Then, we report on an innovative divertor magnetic configuration: the snowflake (SF) divertor as opposed to the classical single-null (SN) divertor. For ELMy SF plasmas, the strike-point properties (density, temperature, fluctuation level,...) are studied with Langmuir probes (LPs) and compared with those of a SN configuration obtained within the same discharge.

論文

Gyrokinetic simulations of turbulent transport; Size scaling and chaotic behaviour

Villard, L.*; Bottino, A.*; Brunner, S.*; Casati, A.*; Chowdhury, J.*; Dannert, T.*; Ganesh, R.*; Garbet, X.*; G$"o$rler, T.*; Grandgirard, V.*; et al.

Plasma Physics and Controlled Fusion, 52(12), p.124038_1 - 124038_18, 2010/11

 被引用回数:18 パーセンタイル:56.65(Physics, Fluids & Plasmas)

This paper presents some of the main recent advances in gyrokinetic theory and computing of turbulence. A past controversy regarding the finite size (finite $$rho^*$$) effect in ITG turbulence has now been resolved. Now, both Eulerian and Lagrangian global codes are shown to agree and to converge to the flux-tube result in the $$rho^*$$ $$rightarrow$$ 0 limit. It is found, however, that an appropriate treatment of geometrical terms is necessary. Turbulent processes are characterized by a chaotic behavior, often accompanied by bursts and avalanches. Performing ensemble averages of statistically independent simulations, starting from different initial conditions, is presented as a way to assess the intrinsic variability of turbulent fluxes and obtain reliable estimates of the standard deviation.

論文

System size effects on gyrokinetic turbulence

McMillan, B. F.*; Lapillonne, X.*; Brunner, S.*; Villard, L.*; Jolliet, S.; Bottino, A.*; G$"o$rler, T.*; Jenko, F.*

Physical Review Letters, 105(15), p.155001_1 - 155001_4, 2010/10

 被引用回数:98 パーセンタイル:93.44(Physics, Multidisciplinary)

The scaling of turbulence-driven heat transport with system size in magnetically confined plasmas is re-examined using first-principles based numerical simulations. Two very different numerical methods are applied to this problem, in order to resolve a long-standing quantitative disagreement, which may have arisen due to inconsistencies in the geometrical approximation. System size effects are further explored by modifying the width of the strong gradient region at fixed system size. The finite width of the strong gradient region in gyroradius units, rather than the finite overall system size, is found to induce the diffusivity reduction seen in global gyrokinetic simulations.

論文

Global nonlinear electromagnetic simulations of tokamak turbulence

Bottino, A.*; Scott, B. D.*; Brunner, S.*; McMillan, B. F.*; Tran, T. M.*; Vernay, T.*; Villard, L.*; Jolliet, S.; Hatzky, R.*; Peeters, A. G.*

IEEE Transactions on Plasma Science, 38(9), p.2129 - 2135, 2010/09

 被引用回数:26 パーセンタイル:69.61(Physics, Fluids & Plasmas)

The particle-in-cell code ORB5 is a global gyrokinetic turbulence simulation code in tokamak geometry. It solves the gyrokinetic equation in the whole plasma core, including the magnetic axis. A field-aligned filtering procedure and sophisticated noise/control and heating operators allow for accurate simulations. Recently, the code ORB5 has been extended to include self-consistent perpendicular magnetic field perturbations. The inclusion of magnetic perturbations allows for a comprehensive study of finite $$beta$$ effects on microinstability. In this paper, we present the first linear and nonlinear code results concerning electromagnetic effects on tokamak microinstabilities.

論文

Gyrokinetic simulations of turbulent transport

Garbet, X.*; 井戸村 泰宏; Villard, L.*; 渡邉 智彦*

Nuclear Fusion, 50(4), p.043002_1 - 043002_30, 2010/04

 被引用回数:255 パーセンタイル:74.19(Physics, Fluids & Plasmas)

本レビュー論文では核融合プラズマにおける乱流輸送を計算するジャイロ運動論的シミュレーションの現状評価を行い、ジャイロ運動論の紹介,ジャイロ運動論方程式の主要な数値解法,ジャイロ運動論的乱流現象の基礎過程、及び、核融合装置における輸送現象と揺動計測に関してシミュレーションから得られた主要な成果を示す。

論文

A Global collisionless PIC code in magnetic coordinates

Jolliet, S.*; Bottino, A.*; Angelino, P.*; Hatzky, R.*; Tran, T. M.*; McMillan, B. F.*; Sauter, O.*; Appert, K.*; 井戸村 泰宏; Villard, L.*

Computer Physics Communications, 177(5), p.409 - 425, 2007/09

 被引用回数:175 パーセンタイル:98.47(Computer Science, Interdisciplinary Applications)

グローバルプラズマ乱流シミュレーションコードORB5について報告する。コードの大きな特徴は、直線磁力線座標を用い磁力線に沿ったフーリエフィルターを適用することによる数値ノイズ低減や時間ステップ幅の伸長により、処理性能を大幅に向上させたことである。また、もう一つの特徴は任意の軸対称理想MHD平衡配位を取り扱えることである。帯状流の解析解、及び、ほかのコードとの線形及び非線形テストにおいてコードの妥当性を検証した。

論文

New conservative gyrokinetic full-$$f$$ Vlasov code and its comparison to gyrokinetic $$delta f$$ particle-in-cell code

井戸村 泰宏; 井田 真人; 徳田 伸二; Villard, L.*

Journal of Computational Physics, 226(1), p.244 - 262, 2007/09

 被引用回数:32 パーセンタイル:78.92(Computer Science, Interdisciplinary Applications)

$$L1$$及び$$L2$$ノルムを保存する有限差分オペレータを用いて新しい保存系ジャイロ運動論的ブラゾフコードを開発した。$$L2$$ノルムの保存により数値振動の成長が抑制されるため、コードは数値的に安定であり、長時間シミュレーションにおいてもロバーストである。スラブ配位イオン温度勾配駆動(ITG)乱流シミュレーションにおいて、エネルギー保存及びエントロピーバランス関係式を確認し、従来の$$delta f$$ PICコードと計算結果のベンチマークを行った。この結果、保存系ブラゾフシミュレーションにおける厳密な粒子保存及び良好なエネルギー保存は長時間の微視的乱流シミュレーションを行ううえで有効であることが示された。PICコードとの比較においては、ブラゾフコード及びPICコードにおける$$v_parallel$$非線形性の物理的・数値的影響を明らかにした。

論文

Conservative gyrokinetic Vlasov simulation using Morinishi scheme

井戸村 泰宏; 井田 真人; 徳田 伸二; Villard, L.*

Europhysics Conference Abstracts (CD-ROM), 30I, 4 Pages, 2006/00

ジャイロ運動論的シミュレーションはトカマクプラズマにおける乱流異常輸送を研究するうえで必要不可欠なツールとなっており、乱流輸送の評価及び予測に向けて、開放系の駆動乱流の長時間・大域的シミュレーションが必要とされている。しかしながら、従来のジャイロ運動論的シミュレーションにおける脆弱な保存特性はそういった長時間シミュレーションにおいて問題になっていた。この問題点を克服するために、もともとは中性流体乱流の保存系シミュレーションのために開発された森西スキームを用いて新しい保存系ジャイロ運動論的シミュレーションを開発する。このコードでは、厳密な粒子数保存に加えて、エネルギー保存も劇的に改善され、また、スキームは長時間シミュレーションにおいてロバーストである。スラブ配位イオン温度勾配駆動論流のシミュレーションにおいて新しいコードと従来の粒子コードの比較を示す。

論文

First principles based simulations of instabilities and turbulence

Villard, L.*; Angelino, P.*; Bottino, A.*; Allfrey, S. J.*; Hatzky, R.*; 井戸村 泰宏; Sauter, O.*; Tran, T. M.*

Plasma Physics and Controlled Fusion, 46(12B), p.B51 - B62, 2004/12

 被引用回数:29 パーセンタイル:67.11(Physics, Fluids & Plasmas)

ジャイロ運動論に基づく近年の第一原理プラズマ乱流シミュレーションの現状をレビューするとともに、ジャイロ運動論におけるv//非線形性,ジャイロ運動論的Poisson方程式における幾何効果の厳密な取り扱いといった、これまでの近似的に無視されてきた問題がシミュレーション結果に及ぼす影響を定量的に議論した。これらの効果の注意深い取り扱いの結果、エネルギー・密度保存を満足する乱流シミュレーションが可能になった。新しいシミュレーションでは(1)乱流の広がりが熱流速のバーストと圧力分布の局所平坦化の連鎖的な雪崩現象で生じる,(2)非線形の駆動されるE$$times$$B流はイオンラーマー半径の30倍程度のスケール長のグローバルなシア流になるといった、以前のシミュレーションでは見られなかった現象が明らかになった。

論文

Recent advances in nonlinear gyrokinetic PIC simulations in tokamak geometry

Bottino, A.*; Angelino, P.*; Allfrey, S. J.*; Brunner, S.*; Hatzky, R.*; 井戸村 泰宏; Jolliet, S.*; Sauter, O.*; Tran, T. M.*; Villard, L.*

Theory of Fusion Plasmas, ISPP21, p.75 - 86, 2004/00

非線形静電的グローバルPICコードORB5は実MHD平衡において、断熱的電子応答を仮定してジャイロ運動論的Vlasov-Poisson系を解析する。最適化粒子配分法と適応幅ジャイロ平均アルゴリズムの実装により、現バージョンのコードは非常に優れて粒子・エネルギー保存特性を有する。この基本的な保存特性は数値シミュレーションの質を測る量として重要である。論文ではExB帯状流と平行速度非線形性を含めた静電的無衝突微視的不安定性のシミュレーション結果をCHEASEコードから得られた実MHD並行配位において初めて示す。

論文

A Linear gyrokinetic model in magnetic coordinates

Jolliet, S.*; Angelino, P.*; Bottino, A.*; 井戸村 泰宏; Villard, L.*

Theory of Fusion Plasmas, ISPP21, p.345 - 351, 2004/00

グローバル粒子シミュレーションはイオン系乱流の時間発展を解析するうえで非常に有効な手法であるが、非常に計算コストが高い。このため、より洗練されたシミュレーションを実現するためには、さらにコードを最適化する必要がある。論文ではVlasov方程式を円柱座標(r,z)で解き、Poisson方程式を磁束座標(r,$$theta$$)で解くLORB5コードに関して、どちらの方程式も単一の磁束座標(s,$$theta_*$$)で取り扱うモデルを提案する。ここで、$$theta_*$$はstraight-field-lineポロイダル座標を示す。磁気軸での特異性を避ける手法、Cycloneパラメータを用いたベンチマークについても報告する。

口頭

保存系ジャイロ運動論的ブラゾフコードの開発

井戸村 泰宏; 井田 真人; 徳田 伸二; Villard, L.*

no journal, , 

L1, L2ノルムを保存する有限差分法を用いて新しい保存系ジャイロ運動論的ブラゾフコードを開発した。本コードでは、L2ノルムの保存によって数値振動の成長が抑えられ、微視的乱流のロバーストな長時間シミュレーションが可能になった。コードの検証を目的としたスラブイオン温度勾配駆動乱流シミュレーションにおいて、粒子・エネルギー保存,エントロピーバランスを確認し、また、従来の粒子コードとの比較を行った。この比較では$$v_parallel$$非線形性の物理的,数値的影響を粒子コード,ブラゾフコードにおいて明らかにした。

口頭

Gyrokinetic PIC simulation of trapped electron mode turbulence

Jolliet, S.*; Villard, L.*; 井戸村 泰宏; McMillan, B. F.*; Bottino, A.*; Lapillonne, X.*

no journal, , 

トカマクプラズマにおける電子乱流輸送の主要機構となっている捕捉電子駆動乱流のジャイロ運動論的PICシミュレーションを行い、従来のイオン温度勾配駆動乱流との比較からその輸送特性や帯状流の性質を議論した。

口頭

Global nonlinear particle-in-cell simulations of trapped-electron-mode turbulence

Jolliet, S.; McMillan, B. F.*; Bottino, A.*; Angelino, P.*; Lapillonne, X.*; Vernay, T.*; 井戸村 泰宏; Villard, L.*

no journal, , 

The global Particle-In-Cell ORB5 code [Jolliet, CPC, 2007] has been extended to include the kinetic response of trapped electrons. The gyrokinetic model is explained and a linear benchmark is presented. Nonlinear simulations show that, for the set of parameters considered, the influence of the zonal flows on Trapped-Electron-Mode turbulence is weak. These results are in agreement with previous results obtained with the flux-tube PIC code GEM [Lang, POP, 2008].

口頭

Collisions in global gyrokinetic particle-in-cell code ORB5

Vernay, T.*; Brunner, S.*; Villard, L.*; Jolliet, S.; McMillan, B. F.*; Lapillonne, X.*

no journal, , 

In this work, a Lorentz collision operator using a random walk over the pitch angle, as well as a full, linearized self-collision operator including a random walk in velocity space and a background reaction acting on the weights, are implemented in a simple 1D Particle-In-Cell (PIC) code simulating Langmuir waves with a 2 weights scheme. The crucial conservation properties of the discretized collision operators are explained. In a second step, the implementations of the 2 weights scheme and such operators in the global gyrokinetic PIC code ORB5 are presented. Some results concerning the effects of collisions on micro-instabilities and neoclassical transport are studied.

口頭

System size and shear flow effects on ITG turbulence

McMillan, B. F.*; Jolliet, S.; Tran, T. M.*; Bottino, A.*; Lapillonne, X.*; Villard, L.*

no journal, , 

In this work, the role of system size (rhostar scaling) and shear flow levels on ion temperature gradient (ITG) turbulence in gyrokinetic simulations is explored using the ORB5 code. Firstly, the scaling of heat flux level versus system size in plasmas with zero initial flow shear is reexamined. Secondly, the effect of poloidal shear flow on ITG turbulence is examined. Even at flow levels many times smaller than the supression threshold, nonlinear turbulence is only seen in the simulation if the initial perturbation is large: the system manifests subcritical turbulence. Inward or outward propagating avalanches and inward and outward shifted diffusivity profiles are seen according to the sign of the flow shear. In cases with strong flow shear almost all the flux is associated with avalanches, which propagate across the entire region with strong pressure gradient.

口頭

Progress of understanding negative triangular tokamak configuration

菊池 満; Fasoli, A.*; 滝塚 知典*; Diamond, P.*; Medvedev, S.*; Duan, X.*; 図子 秀樹*; 古川 勝*; 岸本 泰明*; Wu, Y.*; et al.

no journal, , 

トカマクにおける標準的なD型Hモードプラズマシナリオは熱粒子制御の観点からは課題を含んでいる。革新的なトカマク配位として負三角度の可能性が菊池等によって議論されている。CRPP-EPFLによる負三角度プラズマの実験と理論研究で閉じ込め改善が報告されており、負三角度配位はSOL流速の低減が示唆される。近年のタイプII ELMやグラッシーELMの理論研究によると第2安定化領域へのアクセスを閉じることと運動論的効果が小ELMの達成に重要であることがわかってきた。Medvedevによると負三角度では第2安定化領域への窓が閉じることが分かっている。講演では、これらを含む最近の理解進展をまとめる。

口頭

GT5DISOの研究成果

井戸村 泰宏; 松岡 清吉; 伊奈 拓也; Garbet, X.*; Brunner, S.*; Villard, L.*; 河合 智賀*

no journal, , 

本講演では、平成26年度-28年度に実施したGT5DISOプロジェクトの研究成果を概説する。本プロジェクトではジャイロ運動論的トロイダル5次元full-fオイラーコードGT5Dを用いて乱流輸送の同位体効果を研究してきた。平成26年度には、断熱応答電子のイオン温度勾配駆動(ITG)乱流には同位体効果が見られず、運動論的捕捉電子が駆動する捕捉電子モード(TEM)がこの問題において重要となることを示した。平成27年度には、GT5Dにおいて新たなハイブリッド運動論的電子モデルを開発し、ITG-TEM乱流計算の精度検証を実施した。平成28年度には、TEM乱流が粒子と運動量の輸送において重要な役割を果たす電子変調加熱実験に対する運動論的電子モデルの実証研究を実施した。最後に、ITG-TEM乱流計算の同位体スキャンを実施し、水素プラズマと重水素プラズマで閉じ込め特性が異なる傾向を確認した。

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