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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

Dependence of pedestal structure on collisionality at fixed beta in JT-60U

浦野 創; 相羽 信行; 神谷 健作; 鎌田 裕; JT-60チーム

Nuclear Fusion, 56(1), p.016005_1 - 016005_8, 2016/01

 被引用回数:3 パーセンタイル:62.22(Physics, Fluids & Plasmas)

トカマクにおける周辺ペデスタル構造は炉心プラズマ全体の閉じ込めや核融合炉の出力に対する境界条件となるため適切な予測とその制御が求められる。これまでに周辺プラズマにおける無次元量による周辺ペデスタル幅の定量化が行われてきており、周辺ペデスタル幅は規格化ポロイダルベータ値の平方根に比例することが知られている。しかし、この無次元量による評価は衝突周波数やプラズマ形状を固定した実験下で行われているため、特に衝突周波数による効果は未だよく分かっていなかった。そこで本研究ではJT-60Uにおいて衝突周波数スキャン実験を実施し、周辺ペデスタル幅の衝突周波数依存性を調べた。衝突周波数を0.04から0.2まで変化させたところ、周辺部で中間域モード数のピーリング=バルーニングモードが不安定化する一方で、周辺ペデスタル幅に大きな差異が見られなかった。しかし、さらに衝突周波数を0.2以上に上げた実験では、周辺ペデスタル幅の増大が観測されており、これは高モード数域のバルーニングモードが不安定化を伴っており、MHD不安定性の発生領域がペデスタル構造に寄与しているという重要な知見を得た。

論文

ITPA(国際トカマク物理活動)会合報告,52

篠原 孝司; 林 伸彦; 諫山 明彦; 宮戸 直亮; 浦野 創; 相羽 信行

プラズマ・核融合学会誌, 91(12), p.797 - 800, 2015/12

2015年秋季に国際トカマク物理活動(ITPA)に関する5グループの会合が各グループ独立に開催された。「高エネルギー粒子物理」はウィーン(オーストリア)で開催し日本からは4名の参加があった。「統合運転シナリオ」は合肥(中国)で開催し日本からは2名の参加があった。「MHD安定性」はナポリ(イタリア)で開催し日本からは1名の参加があった。「輸送と閉じ込め物理」および「ペデスタル物理」はガルヒング(ドイツ)で開催し日本からは輸送3名(内TV会議参加2名)、ペデスタル3名の参加があった。それぞれ、各極の関係者と国際装置間比較実験やITERの物理に関する今後の課題、及び各グループの活動計画の議論が行われた。これらの会合の概要をまとめて報告する。なお、次回会合は2016年の春季に各グループ独立に開催する予定である。

論文

Magnetohydrodynamic instability excited by interplay between a resistive wall mode and stable ideal magnetohydrodynamic modes in rotating tokamak plasmas

相羽 信行; 廣田 真*

Physics of Plasmas, 22(8), p.082512_1 - 082512_9, 2015/08

 被引用回数:1 パーセンタイル:90.9(Physics, Fluids & Plasmas)

回転トカマクプラズマ中におけるMHD不安定性の励起メカニズムを数値的に発見した。このメカニズムは抵抗性壁モードと安定なMHDモードとの相互作用である。トカマクプラズマが、負磁気シアアルヴェンモードのような安定な固有モードを持つ場合、この安定なモードのドップラーシフト周波数が0に近づいた際にMHD不安定性が励起される。この不安定化は、固有モードがアルヴェン連続スペクトル中にあっても引き起こされることから、高ベータ定常トカマクプラズマを原型炉などで実現する際には、プラズマの回転周波数帯に安定な固有モードが存在しないように安全係数分布を制御することが重要であることが本研究によって明らかにされた。また、この物理メカニズムを分散関係式を用いて解析することで、回転によって不安定モードが抵抗性壁モードから安定なMHDモードに切り替わることを陽に示すことに成功した。

論文

Dependence of pedestal structure on collisionality in JT-60U

浦野 創; 相羽 信行; 神谷 健作; 鎌田 裕; JT-60チーム

Europhysics Conference Abstracts (Internet), 39E, p.P5.146_1 - P5.146_4, 2015/06

トカマクにおける周辺ペデスタル構造は炉心プラズマ全体の閉じ込めや核融合炉の出力に対する境界条件となるため適切な予測とその制御が求められる。これまでに周辺プラズマにおける無次元量による周辺ペデスタル幅の定量化が行われてきており、周辺ペデスタル幅は規格化ポロイダルベータ値の平方根に比例することが知られている。しかし、この無次元量による評価は衝突周波数やプラズマ形状を固定した実験下で行われているため、特に衝突周波数による効果は未だよく分かっていなかった。そこで本研究ではJT-60Uにおいて衝突周波数スキャン実験を実施し、周辺ペデスタル幅の衝突周波数依存性を調べた。衝突周波数を0.04から0.2まで変化させたところ、peeling-ballooningモードで発生したELM周波数の増大及びELMエネルギーパルスの低下が観測された一方で、周辺ペデスタル幅に大きな差異が見られなかった。しかし、さらに衝突周波数を上げた実験では、周辺ペデスタル幅の増大が観測されており、これはinfinite-n ballooningモードでELMが発生しており、MHD不安定性の発生領域がペデスタル構造に寄与しているという重要な知見を得た。

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

Progress at JET in integrating ITER-relevant core and edge plasmas within the constraints of an ITER-like wall

Giroud, C.*; Jachmich, S.*; Jacquet, P.*; J$"a$rvinen, A.*; Lerche, E.*; Rimini, F.*; Aho-Mantila, L.*; 相羽 信行; Balboa, I.*; Belo, P.*; et al.

Plasma Physics and Controlled Fusion, 57(3), p.035004_1 - 035004_20, 2015/03

 被引用回数:37 パーセンタイル:1.74(Physics, Fluids & Plasmas)

ITER-like wall導入後のJET装置における、ITER標準シナリオに相当するプラズマを実現するための研究の進展について報告する。2.5MAの高三角度ELMy H-modeプラズマに対して重水素ガスおよび窒素ガスを供給する実験を、2つの異なるダイバータ条件下で行った。その結果、窒素ガスの供給によりダイバータへの熱負荷が低減されたことを報告する。また、三角度の向上によるペデスタル領域のエネルギー閉じ込め性能およびペデスタル圧力の向上について調べた。その結果、窒素ガスの供給の有無にかかわらず、高三角度によってペデスタルのELM安定性が改善され、それにより閉じ込め性能およびペデスタル圧力が向上することを示した。

論文

Excitation of flow-stabilized resistive wall mode by coupling with stable eigenmodes in tokamaks

相羽 信行; 廣田 真*

Physical Review Letters, 114(6), p.065001_1 - 065001_5, 2015/02

 被引用回数:1 パーセンタイル:81.9(Physics, Multidisciplinary)

回転トカマクプラズマ中におけるMHD不安定性の励起メカニズムを数値的に発見した。このメカニズムは抵抗性壁モードと安定なMHDモードとの相互作用である。トカマクプラズマが、負磁気シアアルヴェンモードのような安定な固有モードを持つ場合、この安定なモードのドップラーシフト周波数が0に近づいた際にMHD不安定性が励起される。この不安定化は、固有モードがアルヴェン連続スペクトル中にあっても引き起こされることから、高ベータ定常トカマクプラズマを原型炉などで実現する際には、プラズマの回転周波数帯に安定な固有モードが存在しないように安全係数分布を制御することが重要であることが本研究によって明らかにされた。

論文

Alfv$'{e}$n acoustic channel for ion energy in high-beta tokamak plasmas

Bierwage, A.; 相羽 信行; 篠原 孝司

Physical Review Letters, 114(1), p.015002_1 - 015002_5, 2015/01

 被引用回数:4 パーセンタイル:50.01(Physics, Multidisciplinary)

When the plasma beta (ratio of thermal to magnetic pressure) in the core of a tokamak is raised to values of several percent, as required for a thermonuclear fusion reactor, continuous spectra of long-wavelength slow magnetosonic waves enter the frequency band occupied by continuous spectra of shear Alfv$'{e}$n waves. It is found that these two branches can couple strongly, so that Alfv$'{e}$n modes that are resonantly driven by suprathermal ions transfer some of their energy to sound waves. Since sound waves are heavily damped by thermal ion Landau resonances, these results reveal a new energy channel that contributes to the damping of Alfv$'{e}$nic instabilities and the noncollisional heating of bulk ions, with potentially important consequences for confinement and fusion performance.

論文

Alfv$'{e}$n acoustic channel for ion energy in high-beta tokamak plasmas revisited with a linear gyrokinetic model (LIGKA)

Bierwage, A.; Lauber, P.*; 相羽 信行; 篠原 孝司; 矢木 雅敏

Proceedings of 14th IAEA Technical Meeting on Energetic Particles in Magnetic Confinement Systems (Internet), 8 Pages, 2015/00

A recently proposed Alfv$'{e}$n acoustic self-heating channel for burning plasmas - where fast-ion-driven shear Alfv$'{e}$n waves transfer energy to sound waves which then heat the bulk ions - is reexamined using a linear gyrokinetic model. A local eigenvalue analysis shows that the ion sound branches required for such a self-heating channel are so strongly damped that they are effectively non-existent when $$T_{rm e} approx 1.7times T_{rm i}$$. However, when $$T_{rm e}$$ is increased by a factor 2.8, low-frequency sound continua in the range of beta-induced Alfv$'{e}$n acoustic eigenmodes (BAAE) are recovered and their excitation becomes feasible. This raises the question whether higher-frequency sound branches in the frequency range of beta-induced Alfv$'{e}$n continuum modes (BACM) and the associated self-heating channels may exist under reactor-relevant conditions. Moreover, it is shown that modifications of the continuous spectra by fast ions may need to be taken into account.

論文

Impact of plasma core profiles on MHD stability at tokamak edge pedestal

相羽 信行; 浦野 創

Nuclear Fusion, 54(11), p.114007_1 - 114007_9, 2014/11

 被引用回数:1 パーセンタイル:90.94(Physics, Fluids & Plasmas)

トカマク周辺ペデスタルにおけるMHD安定性に対するプラズマコア分布の影響をMARG2DコードおよびBETAコードを用いて数値解析した。EPED1と呼ばれるペデスタル分布予測モデルに基づくと、プラズマの電流分布(内部インダクタンス)を変えることでEPED1で予測されるペデスタル幅が同じであっても、周辺領域の圧力分布および電流分布が変化し、内部インダクタンスが高いほど小振幅ELMの原因と考えられるバルーニングモードが不安定化しやすいことを明らかにした。同様にプラズマ中心部の圧力分布に関連するポロイダルベータを変化させても周辺部MHD安定性は変化し、ポロイダルベータを下げるほどバルーニングモードが不安定化しやすいこと、ペデスタル領域のプラズマ密度を下げるほど同モードが安定化しやすいことを明らかにした。これらの特性を組み合わせることで、小振幅ELMであるgrassy ELMの発生条件を緩和させ、ITERなどの大型トカマク装置でも実現できる可能性を示した。

論文

Dynamics of low-$$n$$ shear Alfv$'e$n modes driven by energetic N-NB ions in JT-60U

Bierwage, A.; 藤堂 泰*; 相羽 信行; 篠原 孝司

Nuclear Fusion, 54(10), p.104001_1 - 104001_14, 2014/10

 被引用回数:13 パーセンタイル:25.69(Physics, Fluids & Plasmas)

Dynamics of fast ions and shear Alfv$'e$n waves are simulated using MEGA, a global nonlinear hybrid code. The scenario is based on JT-60U shot E039672, driven by strong negative-ion-based neutral beams (N-NB), just before the onset of a so-called Abrupt Large Event (ALE). It is found that modes with toroidal mode numbers $$n$$ = 2, 3, 4 can be destabilized, besides the $$n$$ = 1 mode studied previously. The properties of the modes with n $$>$$ 1 are sensitive to the value of the plasma beta and the form of the fast ion distribution, so simulation conditions are set up as realistically as possible. When the fast ion drive exceeds a certain threshold, the $$n$$ = 3 mode is enhanced through a convective amplification process while following fast ions that were displaced by the field fluctuations. The fast ion transport in several cases is analyzed and implications of the results for the explanation of ALEs are discussed.

論文

MHD instability excited by interplay between resistive wall mode and stable MHD modes in rotating tokamak plasmas

相羽 信行; 廣田 真*; 松山 顕之; 白石 淳也; Bierwage, A.

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

回転トカマクプラズマ中におけるMHD不安定性の励起メカニズムを数値的に発見した。このメカニズムは抵抗性壁モードと安定なMHDモードとの相互作用である。トカマクプラズマが、負磁気シアアルヴェンモードのような安定な固有モードを持つ場合、この安定なモードのドップラーシフト周波数が0に近づいた際にMHD不安定性が励起される。この不安定化は、固有モードがアルヴェン連続スペクトル中にあっても引き起こされることから、高ベータ定常トカマクプラズマを原型炉などで実現する際には、プラズマの回転周波数帯に安定な固有モードが存在しないように安全係数分布を制御することが重要であることが本研究によって明らかにされた。

論文

An Approximate single fluid 3-dimensional magnetohydrodynamic equilibrium model with toroidal flow

Cooper, W. A.*; Hirshman, S. P.*; Chapman, I. T.*; Brunetti, D.*; Faustin, J. M.*; Graves, J. P.*; Pfefferl$'e$, D.*; Raghunathan, M.*; Sauter, O.*; Tran, T. M.*; et al.

Plasma Physics and Controlled Fusion, 56(9), p.094004_1 - 094004_8, 2014/09

 被引用回数:4 パーセンタイル:67.31(Physics, Fluids & Plasmas)

入れ子の磁気面を持つ一流体三次元MHD平衡にトロイダル回転を適切に考慮するモデルを開発した。このモデルは軸対称系における回転を考慮したMHD平衡を厳密に再現できる。このモデルは三次元的な変化の大きい領域でプラズマ回転のシアが無視できる場合に適用可能である。MAST装置におけるヘリカルコアを持つ平衡において、回転の影響は磁場構造に対しては小さいが圧力分布は大きく変化させることを示した。この圧力の変化は磁気軸付近の圧力の減少であり、回転によってさらなる3次元的な変化を引き起こすものではなかった。

論文

Effects of centrifugal modification of magnetohydrodynamic equilibrium on resistive wall mode stability

白石 淳也; 相羽 信行; 宮戸 直亮; 矢木 雅敏

Nuclear Fusion, 54(8), p.083008_1 - 083008_8, 2014/08

 被引用回数:8 パーセンタイル:43.33(Physics, Fluids & Plasmas)

磁気流体力学(MHD: Magnetohydrodynamics)平衡におけるトロイダル回転の遠心力効果を考慮することにより、MHD安定性における回転の効果を自己無撞着に取り入れた。抵抗性壁モード(RWM : Resistive Wall Mode)の安定性に対する回転の効果を解析するため、新しいコードを開発した。真空領域と抵抗性壁における電磁気学的な問題を解くモジュールRWMaCを開発し、回転プラズマにおける線形理想MHDダイナミクスを記述するFrieman-Rotenberg方程式を解くMINERVAコードに組み込んだ。MINERVA/RWMaCにより、トロイダル回転によるMHD平衡の変化が、RWMの成長率を減少させることを初めて示した。加えて、トロイダル回転が線形ダイナミクスにのみ影響を与える場合には安定化窓が存在しない場合でも、平衡の変化により安定化窓が現れることを示した。回転は、平衡の圧力、電流密度、質量密度を変化させ、回転の効果を含むポテンシャルエネルギーを変化させる。

論文

Integrated simulation study of ELM pacing by pellet injection in ITER

林 伸彦; 相羽 信行; 滝塚 知典*; 大山 直幸

Contributions to Plasma Physics, 54(4-6), p.599 - 604, 2014/06

 パーセンタイル:100(Physics, Fluids & Plasmas)

Simulations with an integrated code TOPICS-IB showed that a small pellet can significantly reduce the ELM energy loss by penetrating deeply into the pedestal and triggering high-n ballooning modes localized near the pedestal top, with conditions; the injection from the low-field-side with a speed fast enough to approach the pedestal top when the pedestal pressure is about 95 % of natural ELM onset. The effectiveness of the above suitable conditions of pellet injection for ELM pacing has been confirmed by JT-60U and then ITER simulations. The pellet particle content required for ELM pacing is larger for the pedestal plasma with higher density and farther from the stability boundary of ideal ballooning mode near the pedestal top. For an ITER standard scenario, the required pellet particle content is about a few % of pedestal particle content, which gives the physics background to the present design value. Simulations also shows that fueling pellets can be injected from the high-field-side just after ELM pacing pellets without disturbing the pacing.

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

ITPA(国際トカマク物理活動)会合報告,45

林 伸彦; 相羽 信行; 諫山 明彦; 篠原 孝司; 本多 充

プラズマ・核融合学会誌, 90(6), p.352 - 355, 2014/06

2014年の春季に国際トカマク物理活動(ITPA)に関する5つの会合(「MHD安定性」、「高エネルギー粒子物理」、「統合運転シナリオ」、「輸送と閉じ込め物理」、「ペデスタル物理」)が開催された。各会合の概要をまとめて報告する。なお、次回会合は、2014年の秋季のIAEA国際会議直後に開催する予定である。

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

Reduction of ELM energy loss by pellet injection for ELM pacing

林 伸彦; 相羽 信行; 滝塚 知典*; 大山 直幸

Nuclear Fusion, 53(12), p.123009_1 - 123009_10, 2013/12

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

The reduction of ELM energy loss by pellet injection for ELM pacing has been studied by an integrated code TOPICS-IB. It is found that the energy loss can be siginificantly reduced by a small pellet injected from the low-field-side (LFS) with a speed fast enough to approach the pedestal top, which penetrates deeply into pedestal and triggers high-n ballooning modes with localized eigenfunctions near pedestal top, where n is the toroidal mode number. On the other hand, a small pellet injected from high-field-side triggers lower-n modes with wide eigenfunctions before the pellet penetrates deeply into pedestal, resulting in a large energy loss. The dependence of energy loss on pellet injection timing in one cycle of natural ELMs is studied. Early injection reduces energy loss because high magnetic shear prevents onset of lower-n modes, but leads to reduction of target pedestal pressure and enlargement of pellet size to trigger ELM. On the other hand, late injection induces a large energy loss comparable to a natural ELM. Therefore, LFS pellet injection to pedestal plasma equivalent to that at middle timing in a natural ELM cycle is found to be suitable for ELM pacing. With these suitable conditions, ELM pacing with reduced energy loss is successfully demonstrated in simulations, in which core density increase due to additional particle fueling by pacing pellet can be compensated by reducing gas puff and enhancing divertor pumping.

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