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論文

Kinetic modelling of divertor fluxes during ELMs in ITER

細川 哲成*; Loarte, A.*; Huijsmans, G.*; 滝塚 知典*; 林 伸彦

Europhysics Conference Abstracts (Internet), 38F, p.P5.003_1 - P5.003_4, 2014/06

The Type I ELMy H-mode is the reference inductive operation for ITER, but the periodic ELM power loads on plasma facing components need to be understood and controlled. Understanding of the mechanisms of ELM particle and heat loads is required: electron/ion contributions, in/out asymmetry and timescale of ELM heat fluxes. Modelling of typical edge plasma conditions during ITER ELMs has been carried out with PARASOL (PARticle Advanced code for SOL and divertor plasmas) code, which has been developed in JAEA. Simulations show that ions carry larger heat flux than electrons for large ELM particle loss, whereas ions and electrons deposit comparable heat flux for small ELM particle loss. The total energy loss to the two divertors is similar for the two divertors for ELM energy loss larger than 10 MJ independent inter-ELM divertor conditions. Even though inner peak heat flux is larger than outer one in some cases, inner time-integrated heat load is smaller than outer one. This is due to strong current flow in SOL during ELM.

論文

Two-dimensional full particle simulation of the flow patterns in the scrape-off-layer plasma for upper- and lower-null point divertor configurations in tokamaks

滝塚 知典; 清水 勝宏; 林 伸彦; 細川 哲成*; 矢木 雅敏*

Nuclear Fusion, 49(7), p.075038_1 - 075038_9, 2009/07

 被引用回数:23 パーセンタイル:68.72(Physics, Fluids & Plasmas)

磁場閉込め核融合炉においてスクレイプオフ層(SOL)中のプラズマ流は粒子制御に重要な役割を持つ。この流れの構造について、完全粒子コードPARASOLを用いてシミュレーションを行った。ヌル点がイオン磁場勾配ドリフトの逆向きの上方にあるダイバータ配位のとき、中間アスペクト比トカマクでは流れは内外の両ダイバータ板に向かい淀み点は対称的な底位置にある。一方ヌル点がイオン磁場勾配ドリフトと同方向の下方にあるときは、外側SOLで逆流様になる。淀み点は外側SOL中央より下に移動する。これらのシミュレーション結果は実験結果とよく一致している。アスペクト比を変化させるとともに、人工的に電場をなくしたシミュレーションも行った。流れ構造の形成に対し、自己無撞着電場に加え、捕捉イオンのバナナ運動が重要であることがわかった。アスペクト比が5より小さい標準トカマクでは、この捕捉イオン効果が電場効果より強くなる。

論文

Effect of radial transport loss on the asymmetry of ELM heat flux

滝塚 知典; 大山 直幸; 細川 哲成*

Contributions to Plasma Physics, 48(1-3), p.207 - 211, 2008/03

 被引用回数:4 パーセンタイル:18.43(Physics, Fluids & Plasmas)

トカマクプラズマ中のELMの崩壊後のSOL-ダイバータプラズマの動的挙動を1次元PARASOLシミュレーションにより研究した。特にELMの熱流の非対称性について調べた。ELMの崩壊位置が非対称なので、両側ダイバータ板へのELM熱流は非対称になり、ダイバータ板への熱流のピーク値の非対称性は連結長の比に従って増加する。しかし、ダイバータ板への熱流入量の非対称性は小さい。径方向輸送損失があれば、熱流入量にも非対称性が生じるが、それでも損失が相当大きくてもその非対称性は大きくない。SOL電流によって運ばれる電子熱流と非対称的SOL流が運ぶ対流熱が熱流入量の非対称性を大きくしない原因である。

論文

Modeling of dynamic response of SOL-divertor plasmas to an ELM crash

林 伸彦; 滝塚 知典; 細川 哲成*

Journal of Nuclear Materials, 363-365, p.1044 - 1049, 2007/06

 被引用回数:12 パーセンタイル:66.47(Materials Science, Multidisciplinary)

トカマクのHモードプラズマにおいて、周辺部局在モード(ELM)崩壊は炉心プラズマ端の熱・粒子を周辺プラズマに放出し、ダイバータ板の損耗と寿命を決める重要な現象である。実験において、ELMにより増大した熱・粒子流が調べられている。対流輸送で決まる遅い時間スケールの熱・粒子流の特性は調べられているが、熱伝導や電子の自由運動で決まる速い時間スケールの特性はいまだ明らかでない。さらに、開いた磁力線の両端に位置する2つのダイバータ板で、ELMにより増大した熱負荷に非対称性が現れることが観測された。2次元流体シミュレーションが莫大な計算時間を必要とするのに対して、流体方程式を積分した2点モデルは、実験で観測された多くの静的な特性を容易に再現できる。2点モデルが非対称性を解析できないのに対して、5点モデルは、熱電不安定性の結果生じる静的な非対称特性を明らかにした。本研究では、動的5点モデルを開発し、ELM崩壊に対するSOL-ダイバータプラズマの動的応答を調べる。粒子シミュレーションコードPARASOLを用いて運動論的効果をモデル化し、動的5点モデルに導入する。初期的な結果として、ELM前に非対称性があるとELMが速い時間スケールで非対称性を強く増幅することがわかった。一方、ELM前に対称だとELMは遅い時間スケールで非対称性を誘起する。ELM前後で、非対称性が反転する可能性のあることを明らかにした。ELM崩壊に対するSOL-ダイバータプラズマの動特性の詳細について発表する。

論文

Dynamics of SOL-divertor plasmas after an ELM crash in tokamak H-mode plasma

滝塚 知典; 細川 哲成*

Fusion Science and Technology, 51(2T), p.271 - 273, 2007/02

 被引用回数:2 パーセンタイル:19.85(Nuclear Science & Technology)

Hモードプラズマ中のELM崩壊後のダイバータ板への増大した粒子束と熱束は板に過大な負荷をもたらす。これらの粒子と熱束について、静電的PIC法とモンテカルロ二体衝突モデルを組合せた粒子シミュレーションコードPARASOLを用いて調べた。ELM崩壊後の電子の熱パルスはダイバータ板に高速で伝搬する。次にイオンの熱パルスとプラズマ粒子パルスが音速の時間スケールでゆっくりと板に到達する。SOL-ダイバータプラズマの動的挙動に対するELM源の非対称性とリサイクリングの非対称性の効果を調べた。非対称性を伴う動態には、SOL電流が大きな役割を担っている。

論文

Particle simulation of the transient behavior of one-dimensional SOL-divertor plasmas after an ELM crash

滝塚 知典; 細川 哲成*

Contributions to Plasma Physics, 46(7-9), p.698 - 703, 2006/09

 被引用回数:13 パーセンタイル:44.28(Physics, Fluids & Plasmas)

ELMyHモードプラズマ中のELM崩壊後のダイバータ板への大きな粒子束と熱束は、トカマク核融合炉運転において重要問題である。このときのSOLとダイバータプラズマの過渡的挙動に及ぼす運動論的影響についてよくはわかっていない。ここで、先進的粒子シミュレーションコードPARASOLを用いてこの問題を研究する。粒子と熱の伝搬の衝突度への依存性を系統的に調べる。また、粒子リサイクリングの影響についても調べる。

論文

Two-dimensional particle simulation of the flow control in SOL and divertor plasmas

滝塚 知典; 細川 哲也*; 清水 勝宏

Journal of Nuclear Materials, 313-316(1-3), p.1331 - 1334, 2003/03

 被引用回数:13 パーセンタイル:66.42(Materials Science, Multidisciplinary)

トカマク核融合研究において粒子と熱の制御が最重要課題の一つである。ヘリウム灰排気と不純物のダイバータ領域内保留はダイバータ板に向かうプラズマ流で決まる。板上の局所的熱負荷は流れのパターンに依存する。したがって、SOLとダイバータプラズマの流れの適切な制御によって粒子と熱の制御ができる。この論文では、PARASOLコードを用いた2次元粒子シミュレーションにより流れの制御を研究した。トカマクのダイバータ配位に似たセパラトリクスのある磁場配位を与えている。主プラズマ中に熱粒子源がある。ダイバータ板近傍にリサイクリング冷粒子源がある。SOLプラズマ中に流れ制御のためにガスパフ粒子源をおく。板上の静電ポテンシャルを変えてダバータバイアシングが可能である。ガスパフとバイアスの流れへの影響を調べた。シミュレーション結果から制御性を評価した。

論文

Asymmetry of dense divertor plasmas influenced by thermoelectric potential and charge-exchange momentum loss

林 伸彦; 滝塚 知典; 細川 哲成*; 清水 勝宏

Journal of Nuclear Materials, 313-316(1-3), p.1041 - 1045, 2003/03

 被引用回数:2 パーセンタイル:19.75(Materials Science, Multidisciplinary)

熱電ポテンシャルと荷電交換運動量損失を考慮した高密度ダイバータプラズマの非対称性を、5点モデルを用いて解析した。ダイバータプラズマの温度が10eV以下になると運動量損失が大きくなる。非対称な平衡の低温側ダイバータでは、プレシース電位が運動量損失によって高くなり、熱電ポテンシャルの低下を補う。プレシース電位の変化により、運動量損失は熱電不安定性を安定化させる働きがあり、非対称性を弱める。平衡の分岐構造のために、一方のダイバータプラズマでリサイクリングを増加させ温度を下げるためには、もう片方のダイバータプラズマを高リサイクリングにさせ運動量損失を増加させると効果的に温度を下げられる。

報告書

Origin 3800システムにおけるPARASOLコードの超並列計算

細川 哲成*; 滝塚 知典

JAERI-Data/Code 2001-026, 19 Pages, 2001/10

JAERI-Data-Code-2001-026.pdf:1.66MB

ダイバータ粒子コードPARASOLは、ダイバータ板に挟まれた磁場におけるプラズマの挙動を、静電PIC法と二本衝突モンテカルロ法を用いて自己無撞着に模擬する。PARASOLコードはスカラー並列計算機向きにMPI-1.1に従って並列化され、従来IntelParagonXP/Sシステムで用いられてきた。今回(2001年5月)新しくSGIOrigin3800システムが導入された。このシステムの移行に伴い、PARASOLコードの並列計算の改良を行った。新システムの高性能化とコードの改良の結果、PARASOLのシミュレーションは、前システムに比べ同数のプロセッサで約60倍高速化された。

論文

Particle simulation of detached plasma in the presence of diffusive particle loss and radiative energy loss

滝塚 知典; 細川 哲也*; 清水 勝宏

Journal of Nuclear Materials, 290-293, p.753 - 756, 2001/03

 被引用回数:17 パーセンタイル:76.5(Materials Science, Multidisciplinary)

粒子シミュレーションコードPARASOLを用いてデタッチプラズマの形成に対する拡散粒子損失と放射エネルギー損失の効果を調べた。ダイバータ板近傍で、拡散により密度は減少し、放射により温度は減少する。板近傍での超音速流の発生により、温度が低下しても密度の上昇は起きない。超音速流の条件はC$$equiv$$(R$$_{Gamma}$$/R$$_{p}$$)(T$$_{plate}$$/T$$_{throat}$$)$$^{0.5}$$$$<$$1であり(R$$_{Gamma}$$: 粒子束増倍係数,R$$_{p}$$: 運動量減衰係数,T$$_{plate}$$: 板近傍の温度,T$$_{throat}$$: 入口近傍の温度)、板近傍のマッハ数はM=C$$^{-1}$$+(C$$^{-2}$$-1)$$^{0.5}$$となる。ここでMは1より大きくなっている。シミュレーションの結果はこの表式とよく一致している。拡散・放射とデタッチプラズマとの関係について検討し、超音速流による低密度化がデタッチ状態を容易に形成することを示唆した。

論文

Advanced particle simulation of open-field plasmas in magnetic confinement systems

滝塚 知典; 細川 哲也*; 清水 勝宏

Transactions of Fusion Technology, 39(1T), p.111 - 118, 2001/01

磁場閉じこめ方式における開放系プラズマの粒子シミュレーションは、流体シミュレーションに導入されている物理モデルの検証に必要である。先進的粒子シミュレーションコードPARASOLを開発した。このコードには、静電的PIC法に加えて二体衝突モデルが採用されている。シミュレーションモデルについて詳しく記述されている。PARASOLシミュレーションで得られた、シース入口での境界条件について示されている。E$$times$$Bドリフトの効果、拡散損失と放射冷却の効果について調べた。磁力線に沿った熱輸送についても研究した。

論文

Particle simulation study of the effect of radial electric field on scrape-off layer plasma and sheath formation

滝塚 知典; 細川 哲成*

Contributions to Plasma Physics, 40(3-4), p.471 - 477, 2000/11

 被引用回数:18 パーセンタイル:46.5

スクレイプオフ層(SOL)プラズマとシース形成に対する径電場の効果について、粒子シミュレーションコードPARASOLを用いて研究した。磁気的プレシースに関する従前の理論をシミュレーションによって確認した。Er$$times$$Bドリフトにより、SOLプラズマの流れ様式と密度分布が非対称になる。ダイバータ板に垂直方向の流れが、板の直前で特別に定義される音速より大きくなるという、シース形成の条件を明らかにした。SOLプラズマの非対称は、原理的にこの境界条件がもたらす。Er$$times$$Bドリフトの増加に従い、非対称性は大きくなる。ドリフト速度がある限界を越えると、Er$$times$$Bドリフトが板から流れ出る側のダイバータ領域において、デタッチプラズマが形成される。

報告書

PARASOLコードの開発

細川 哲成*; 滝塚 知典

JAERI-Data/Code 2000-025, 55 Pages, 2000/05

JAERI-Data-Code-2000-025.pdf:1.75MB

ITER等のトカマク型核融合炉において、ダイバータは熱除去や不純物の遮蔽等について重要な役割を果たす。ダイバータの性質は流体モデルによる包括的なシミュレーションによって研究されているが、その妥当性の検証には粒子シミュレーション等の運動論的な手法が必要である。そこで粒子コードPARASOLを開発し、SOLとダイバータプラズマのシミュレーション研究を行っている。PARASOLコードでは、ダイバータ板に挟まれた領域において、イオンと電子の運動を静電的PIC法に基づき追跡する。クーロン衝突効果はモンテカルロ法二体衝突モデルで模擬する。中性粒子の運動も荷電粒子と同時的に追跡する。本報告書は、PARASOLの物理モデル、数値計算法、プログラム構造、入出力形式、計算結果例、並列計算法及び並列計算効率についてまとめている。

口頭

ELM崩壊後のSOL/ダイバータプラズマの1次元粒子シミュレーション

滝塚 知典; 林 伸彦; 細川 哲成*

no journal, , 

Hモードプラズマ中のELM崩壊後のダイバータ板への大きな熱束と粒子束は、トカマク核融合炉における重大問題の一つである。ELM崩壊後のSOL/ダイバータプラズマの過渡応答において、プラズマの運動論効果が重要な役割を果たす。今研究では、われわれが開発してきた粒子シミュレーションコードPARASOLを用いてこの過渡現象を調べる。ELM崩壊により多量の非常に熱い粒子が定常的SOL領域に突発的に供給される。まず高温の電子のテール成分がダイバータ板に熱を運ぶ。続いて電子の熱成分の熱伝導による熱束が板に到達する。これらの早い熱束は衝突度に大きく依存することがシミュレーションにより明らかになった。一方粒子束はELMで温度上昇したSOLプラズマの音速でその振る舞いが決まる。粒子束に伴ってイオンの熱は対流的にダイバータ板に流入する。電子の熱束もプラズマ/壁境界条件を満足するように同時に増大する。この遅い粒子束と熱束の過渡特性は、衝突度にはほとんど依存せず、ダイバータ板近傍の粒子リサイクリング条件に大きく依存することがシミュレーションにより明らかになった。

口頭

ダイバータプラズマの構造とダイナミックス

滝塚 知典; 清水 勝宏; 川島 寿人; 林 伸彦; 細川 哲成*

no journal, , 

ダイバータプラズマの構造形成とダイナミックスを粒子シミュレーションにより研究した。2次元シミュレーションにより、ドリフト効果とシース形成条件がダイバータプラズマの構造を決める重要要因であることを明らかにした。非定常シミュレーションにより、ELMにより突発的に放出された粒子と多量の粒子と熱がダイバータ板に伝搬するダイナミックスに運動論効果が大きな影響を与えることを明らかにした。

口頭

ELM崩壊に対するSOL-ダイバータプラズマの動的応答のモデリング

林 伸彦; 滝塚 知典; 細川 哲成*

no journal, , 

周辺部局在モード(ELM)崩壊に対するスクレイプオフ層(SOL)とダイバータプラズマの応答を調べるために、動的5点モデルを開発した。5点モデルは、通常の流体コードで得られた静的及び動的なプラズマ特性を再現できた。また、5点モデルで得られたプラズマの動的振舞いは、粒子コードPARASOLの結果とよく一致した。非対称なダイバータプラズマにおいて、ELM崩壊は、過渡的に熱電不安定性を引き起こし、大きなSOL電流を誘起する。誘起された電流は、対流的な熱流を作り、電子の速い時間スケールで非対称性を増幅させる。この場合に、ELM崩壊が、ELM前と後で非対称を反転させることがわかった。対称なダイバータプラズマにおいても、ELM崩壊はイオンの遅い時間スケールで非対称性を誘起する。この場合、高密度低温ダイバータプラズマの過渡的な形成が熱電不安定性を引き起こしている。

口頭

SOL領域を持つ磁場閉じ込めプラズマの電場形成

滝塚 知典; 清水 勝宏; 林 伸彦; 細川 哲成*

no journal, , 

磁場閉じ込めプラズマにおける径電場の形成機構の解明は、閉じ込め性能改善のための重要課題である。SOL領域の存在は中心領域の電場形成にも大きな影響を及ぼしている。ここで、先進的粒子コードPARASOLを用いたシミュレーションにより電場形成の物理機構を調べる。SOLでは熱速度の大きい電子が磁力線に沿って損失しやすく、一方中心領域ではラーマ半径の大きいイオンが磁力線を横切って損失しやすい。ラーマ半径が小さいとき、中心領域はSOL領域の特性で決まるセパラトリクス境界の影響から脱却できず、電子密度はイオン密度より低くなり、静電位は上に凸の単調形状となる。一方、ラーマ半径が大きくなると、イオンの拡散が大きくなり、境界の影響を脱却して中心領域でイオン密度が電子密度より低くなる。その結果、静電位は中心部で凹状となり全体でホロー形状となる。直線系磁場閉じ込めプラズマにおいても、ラーマ半径の増大による電場の遷移現象が起きることがわかった。

口頭

SOL-divertor simulation code system with fluid modeling, Monte-Carlo modeling and PIC modeling

滝塚 知典; 清水 勝宏; 川島 寿人; 林 伸彦; 細川 哲成*

no journal, , 

トカマクのSOLダイバータプラズマのシミュレーションのために、原子力機構で開発されているコードシステムについて報告する。このシステムは、流体モデリングに基づくSOLダイバータプラズマを対象とするSOLDORコード,モンテカルロモデリングに基づく中性粒子を対象とするNEUT2Dコードと不純物を対象とするIMPMCコード、及びPICモデリングに基づくSOLダイバータプラズマの基礎物理を対象とするPARASOLコードにより構成されている。SOLDORとNEUT2DとIMPMCを自己無矛盾に連結したSONICコードにより、トカマクダイバータ実験解析及び次期装置ダイバータ設計を行っている。シミュレーションにより、JT-60UにおけるX点MARFEを再現した。JT-60改修装置の粒子制御性を評価した。またPARASOLコードによるシミュレーションでは、ELM崩壊で放出される熱流の過渡的挙動を調べた。

口頭

SOLダイバータプラズマ中のELM熱流に対する非対称性の効果

滝塚 知典; 林 伸彦; 細川 哲成*

no journal, , 

トカマク核融合炉においてELMによるダイバータ板への大きな熱流は重大問題の一つである。SOLダイバータプラズマ中のELM熱流の伝播特性には、運動論効果が重要な役割を果たしているので、粒子コードPARASOLによりその特性をシミュレーション研究してきた。ここでは、ELM熱流に対する非対称性の効果を調べる。ELMは弱磁場側に局在して発生し、ELM熱流は局在域に近い外側ダイバータ板に多く流出する。その伝播時間は、ELM領域中心から両側ダイバータ板までの距離に対応した時間で決まる。ELM崩壊後、ダイバータ電子温度が最大となる時間は速い時間尺度の電子熱伝導で決まり距離の2乗に比例する。ダイバータ板への熱流が最大となる時間は遅い時間尺度の音速飛翔時間で決まり距離に比例する。伝播時間が非対称であることにより、ELM領域に近い外側ダイバータ板に多量の熱流が流入する。

口頭

PARASOL simulation of the ELM heat flux in SOL divertor plasmas

滝塚 知典; 大山 直幸; 細川 哲成*

no journal, , 

トカマクのHモードプラズマにおいて発生する周辺局在モードELMによりSOLプラズマ中に突発的に流出するELMの熱流について、先進的粒子コードPARASOLを用いたシミュレーション研究を行った。ELM熱流の伝播は電子熱伝播の早い時間スケールと音速伝播の遅い時間スケールに分けられる。トカマク中のELMは弱磁場側で発生するため、ELM熱流の源はダイバータ板間で非対称的に位置する。このELM非対称性により、熱流の伝播はダイバータ板までの距離に依存し、発生源に近いダイバータ板に大きな熱流ピークが速く到達する。しかし熱の到達量は、遠近にかかわらず2ダイバータ板でほぼ均等になる。非対称的ELM熱流に伴うSOL電流と非対称プラズマ対流の発生がこの均等化の原因であることが明らかになった。ELM熱流に半径方向の損失があるとき、非対称性はどのような影響を被るかを調べた。径方向損失は、ELM熱流源から遠いダイバータ板への熱到達量を減少させ、遠近2ダイバータ板の熱到達量を非均衡にする。

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