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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。
古川 勝*; 松山 顕之; 大河 優志郎*
Plasma and Fusion Research (Internet), 11, p.1303003_1 - 1303003_4, 2016/02
A high-accuracy numerical integration algorithm for a charged particle motion is developed. The algorithm is based on the Hamiltonian mechanics and the operator decomposition. The algorithm is made to be time-reversal symmetric, and its order of accuracy can be increased to any order by using a recurrence formula. One of the advantages is that it is an explicit method. An effective way to decompose the time evolution operator is examined; the Poisson tensor is decomposed and non-canonical variables are adopted. The algorithm is extended to a time dependent fields' case by introducing the extended phase space. Numerical tests showing the performance of the algorithm are presented. One is the pure cyclotron motion for a long time period, and the other is a charged particle motion in a rapidly oscillating field.
本多 充; 佐竹 真介*; 鈴木 康浩*; 吉田 麻衣子; 林 伸彦; 神谷 健作; 松山 顕之; 篠原 孝司; 松永 剛; 仲田 資季; et al.
Nuclear Fusion, 55(7), p.073033_1 - 073033_11, 2015/07
被引用回数：7 パーセンタイル：28.43(Physics, Fluids & Plasmas)The integrated simulation framework for toroidal momentum transport is developed, which self-consistently calculates the neoclassical toroidal viscosity (NTV), the radial electric field 
and the resultant toroidal rotation 
together with the scrape-off-layer(SOL)-physics based boundary model. The coupling of three codes, the 1.5D transport code, TOPICS, the 3D equilibrium code, VMEC and the 3D 
drift-kinetic equation solver, FORTEC-3D, makes it possible to calculate the NTV due to the non-axisymmetric perturbed magnetic field caused by toroidal field coils. Analyses reveal that the NTV significantly influences in JT-60U and holds the key to determine the NTV profile. The sensitivity of the profile to the boundary rotation necessitates a boundary condition modelling for toroidal momentum. Owing to the high-resolution measurement system in JT-60U, the gradient is found to be virtually zero at the separatrix regardless of toroidal rotation velocities. Focusing on , the boundary model of toroidal momentum is developed in conjunction with the SOL/divertor plasma code D5PM. This modelling realizes self-consistent predictive simulations for operation scenario development in ITER.
松山 顕之
プラズマ・核融合学会誌, 91(3), p.204 - 208, 2015/03
ディスラプション時の逃走電子発生機構の解明と緩和手法の開発がITERに向けた喫緊の研究開発課題となっている。逃走電子発生の緩和および回避にとって重要となる輸送・再分配過程には巨視的および微視的磁場揺動が支配的な役割を果たすと考えられており、現象の解析に3次元軌道追跡シミュレーションが用いられる。ここでは、逃走電子発生現象の物理モデリングの基本的な考え方を紹介したのち、軌道解析に関する問題の切り口の一つとして、巨視的な摂動磁場の存在下における磁気面とドリフト面の相対関係を議論する。
奴賀 秀男; 松山 顕之; 矢木 雅敏; 福山 淳*
Plasma and Fusion Research (Internet), 10, p.1203006_1 - 1203006_2, 2015/01
The runaway electron generation during tokamak disruptions is investigated by kinetic simulations. Three dimensional Fokker-Planck simulations (2D in momentum space and 1D in radial direction) are carried out with various values of 
and the results are compared with the previous simulation results that use runaway generation rate derived by Conner and Hastie. From the simulation results, It is pointed out that the importance of the hot-tail effect for the description of the runaway electron generation mechanism with fast thermal quench.
松山 顕之; 矢木 雅敏; 影井 康弘; 中島 徳嘉*
Nuclear Fusion, 54(12), p.123007_1 - 123007_14, 2014/12
被引用回数：11 パーセンタイル：48.45(Physics, Fluids & Plasmas)The stochastization mechanisms of such high-energy RE drift orbits are investigated by 3D orbit following in tokamak plasmas. Drift resonance is shown to play an important role indetermining the onset of stochastic drift orbits for different electron energies, particularly in cases with low-order perturbations that have radially global eigenfunctions. The drift resonance due to the coupling between the cross-field drift motion with radially global modes yields a secondary island structure in the RE drift orbit. Only for highly relativistic REs, the widths of secondary drift islands are comparable with those of magnetic islands due to the primary resonance, thus the stochastic threshold becoming sensitive to the RE energy. Because of poloidal asymmetry due to toroidicity, the thresholdbecomes sensitive not only to the relative amplitude but also to the phase difference between the modes.
本多 充; 佐竹 真介*; 鈴木 康浩*; 松永 剛; 篠原 孝司; 吉田 麻衣子; 松山 顕之; 井手 俊介; 浦野 創
Nuclear Fusion, 54(11), p.114005_1 - 114005_14, 2014/11
被引用回数：15 パーセンタイル：59.18(Physics, Fluids & Plasmas)A cooperation framework for analyses and predictions of the neoclassical toroidal viscosity (NTV) and the resultant toroidal flow is developed among the TOPICS, VMEC and FORTEC-3D codes. With the real geometry in JT-60U taken into account, it is found that the NTV is one of the cardinal torque sources especially in the edge region irrespective of the insertion of the ferritic steel tiles (FSTs) that reduce the toroidal field ripple amplitude and it is essential to numerically reproduce the measured toroidal rotation profile in the edge. The up-down asymmetric component of the NTV is damped due to the FSTs and the NTV profile correlates with the profile of the radial electric field . Predictive simulations for JT-60SA H-mode scenarios are also performed to investigate the effects of the NTV on toroidal rotation. The NTV reversal is observed in the pedestal region where the steep pressure gradient is formed, due to the dependence of the NTV on .
本多 充; 佐竹 真介*; 鈴木 康浩*; 吉田 麻衣子; 林 伸彦; 神谷 健作; 松山 顕之; 篠原 孝司; 松永 剛; 仲田 資季; et al.
Proceedings of 25th IAEA Fusion Energy Conference (FEC 2014) (CD-ROM), 8 Pages, 2014/10
The integrated framework for toroidal momentum transport is developed, which self-consistently calculates the neoclassical toroidal viscosity (NTV), the radial electric field and resultant toroidal rotation together with the scrape-off-layer (SOL) physics-based boundary model. The coupling of three codes, TOPICS, VMEC and FORTEC-3D, can calculate rotation caused by the NTV due to the non-axisymmetric perturbed magnetic field caused by toroidal field coils. It is found that the NTV influences toroidal rotation in JT-60U and holds the key to determine the NTV profile. The sensitivity of the toroidal rotation profile to the boundary rotation necessitates the boundary condition modeling. From the measurement in JT-60U, the gradient is found to be insensitive at the separatrix. Focusing on , the boundary model of toroidal momentum is developed in conjunction with the SOL/divertor plasma code. This modeling realizes self-consistent predictive simulations for operation scenario development in ITER.
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。
矢木 雅敏; 松山 顕之; 宮戸 直亮; 滝塚 知典*
Contributions to Plasma Physics, 54(4-6), p.363 - 367, 2014/06
被引用回数：0 パーセンタイル：0.01(Physics, Fluids & Plasmas)In this work, the simulation study of nonlocal transport from edge to core in tokamak plasmas has been performed using 4-field reduced MHD model. The cylindrical particle source is applied in the plasma edge, after the steady state of resistive ballooning turbulence is attained. After a short time, the source is switched off and the plasma response is investigated. It is found that applying the particle source induces (0,0) and (1,0) modes of density fluctuations, where (
) indicates the set of poloidal mode number 
and the toroidal mode number n. These modes interact with each other by the nonlinear and/or toroidal couplings. The convective cell mode such as (1,0) mode is attributed to the nonlocal transport instead of the long-range fluctuation such as (1,1) mode excited by the turbulence. The simulation result indicates that two-dimensional transport in the poloidal plane plays a key role to describe the nonlocal transport.
矢木 雅敏; 宮戸 直亮; 松山 顕之; 滝塚 知典*
Plasma and Fusion Research (Internet), 9, p.3403030_1 - 3403030_4, 2014/04
The nonlocal transport for peripheral density source is investigated by using 4-field reduced MHD model. The spherical particle source with a small diameter is applied in the plasma edge region, just after the quasi-steady state of resistive ballooning turbulence is attained. Then, the plasma transport is observed. The nonlocal transport appears at the location far from the edge source region. It is found that applying the particle source induces (0,0) and (1,0) modes of density fluctuations as well as (2,1), (3,1) modes, where (,
) indicates the set of poloidal mode number m and the toroidal mode number . (0,0) and (1,0) modes dominantly interact with each other by the convective nonlinearity and/or toroidal couplings. The formation of the spiral structure with poloidal rotation is observed, which makes a connection with core and edge regions.
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。
松山 顕之; 矢木 雅敏; 影井 康弘*
JPS Conference Proceedings (Internet), 1, p.015037_1 - 015037_4, 2014/03
既存のトカマク装置とITERにおけるディスラプション時の逃走電子の閉じ込め特性を理解するため、低トロイダルモード数の磁場摂動が存在する場合の相対論的ドリフト軌道を数値的に研究した。ディスラプション時のトカマク磁場配位は、良好な磁気面、低トロイダルモードの磁気島、ストキャスティック領域が混在した構造としてモデル化する。逃走電子のエネルギーや装置サイズ依存性に関して、短い時間スケールでの逃走電子損失につながるストキャスティック軌道の出現条件を調べた。その結果、低トロイダルモードと磁力線を横切るドリフト間の結合によって生じる共鳴軌道が磁気島の重畳条件に作用し、逃走電子の高エネルギーテールが低エネルギー成分に比べて相対的に低い磁場揺動レベルで損失することがわかった。短波長磁場乱流の研究で認識されていた高エネルギーの逃走電子ほど輸送係数が小さいという性質と比較して、低トロイダルモードの磁場摂動による逃走電子の損失過程では逆の傾向が現れることを明らかにした。
松山 顕之; 矢木 雅敏
Plasma and Fusion Research (Internet), 8, p.1403170_1 - 1403170_6, 2013/12
Guiding-center equations for relativistic particles are presented in axisymmetric toroidal geometry using Boozer coordinates. Effects of slow equilibrium change are included for describing the electron acceleration due to the induction field, which is a fundamental process of the runaway electron generation during disruptions. For a consistent treatment of the runaway orbit in finite pressure plasma, the equations are given in both canonical and noncanonical forms with retaining the radial covariant component of the equilibrium magnetic field. For this, the Lagrangian formulation by White and Zakharov is applied to axisymmetric equilibria with slowly-varying magnetic flux functions.
矢木 雅敏; 影井 康弘*; 松山 顕之
no journal, ,
本講演では、これまで上下対称平衡を仮定していた逃走電子軌道追跡コードを、ITER平衡が扱えるように上下非対称平衡に拡張し、ITERにおける逃走電子の損失率を解析したのでその計算結果について報告する。Boozer座標系におけるドリフトハミルトニアンを用いて逃走電子の軌道解析を行う。解析的な摂動磁場モデルを導入しディスラプション時の磁気乱流状態を模擬する。磁気島が存在する場合の相対論的電子のトロイダル方向の正準角運動量の時間変化及び粒子軌道のポアンカレー断面図を解析した。予備的な結果によればITER級のパラメータでは磁場摂動のもとでも逃走電子の閉じ込めはよいことが判明した。
松山 顕之; 矢木 雅敏; 影井 康弘*
no journal, ,
トカマクディスラプション時の乱れた磁場における逃走電子のダイナミクスを調べるために相対論的逃走電子軌道追跡コードETC-Relを拡張した。コードはITERを想定した上下非対称トカマクに適用され、相対論的ドリフト方程式はオイラー・ラグランジュ方程式に基づいてループ電圧を考慮して定式化される。ITERサイズの装置では装置サイズに対するポロイダルジャイロ半径の比が十分小さく、磁力線軌道と比較した電子軌道のゆがみは小さい。このことは、磁気島の重なりによる磁場のストキャスティック化が逃走電子閉じ込めを劣化させるうえで本質的に重要であることを示している。シミュレーションによって乱れた磁場におけるテスト粒子に平均2乗変位を評価すると、逃走電子の径方向輸送は非拡散的な特徴を持つことが示された。
松山 顕之; 矢木 雅敏; 影井 康弘*
no journal, ,
ITERをはじめとする大型トカマク装置ではディスラプション中に発生する逃走電子によりプラズマ対向壁に損傷を与えることが懸念されており、逃走電子の発生機構の解明、対向壁へ及ぼす効果、緩和手法の研究が重要な課題とされている。本研究では、相対論的Fokker-Planck方程式と1次元輸送モデルを組合せてディスラプション時の誘導電場の発生とそれに伴う逃走電子の加速及び放射損失を評価することで、ディスラプション時に発生する逃走電子の密度及びエネルギー分布を評価することのできるモデリングコードを新たに開発した。本発表ではJT-60U, ITERなど異なる装置サイズやディスラプション条件での逃走電子発生のシミュレーション結果を示すとともに、モデリングによって評価されたエネルギーを相対論的電子軌道追跡コード(ETC-Rel)の入力データとして反映させることで、ディスラプションを想定した乱れた磁場中での逃走電子閉じ込めのシミュレーションを行った結果を示す。
矢木 雅敏; 松山 顕之; 滝塚 知典*
no journal, ,
トカマクプラズマにおける過渡応答現象や非局所輸送の物理機構を解明するため、4場簡約化MHDモデルを用いてシミュレーションを行った。抵抗性バルーニングモード乱流が飽和し準定常状態に達した後、プラズマ周辺に粒子ソースを印可し、あるタイミングでソースを切り、その後の応答を観測した。密度揺らぎの(1,0)フーリエ成分(それぞれポロイダル,トロイダルモード数を表している)により渦巻き状の構造が形成され、これがプラズマ中心部と周辺部をつなぎ、長距離相関を生み出す。この揺らぎを通じて非局所輸送が発生することを数値的に見いだした。
矢木 雅敏; 松山 顕之; 滝塚 知典*
no journal, ,
非線形シミュレーションにより定常状態に達した抵抗性バルーニング乱流中に周辺密度ソースを印可し、その後のプラズマ応答を解析する。ある時間帯で周辺密度ソースをオフし、その後の密度分布の時間発展を追跡した。密度揺らぎの(1,0)フーリエ成分(それぞれポロイダル、トロイダルモード数を表している)により渦巻き状の構造が形成され、これがプラズマ中心部と周辺部をつなぎ、長距離相関を生み出す。この揺らぎを通じて非局所輸送が発生することを数値的に見いだした。その後、内部輸送障壁が形成され、そのフットは有利面とよく対応していることを確認した。
松山 顕之; 矢木 雅敏; 影井 康弘*
no journal, ,
ITERで想定される10MAオーダーのプラズマ電流をもつトカマクプラズマのディスラプションでは、逃走電子と熱電子の近接衝突による雪崩機構のため、既存の装置に比べて逃走電子電流が形成されやすいと考えられており、高エネルギー電子による装置損傷が懸念されている。本研究では、摂動磁場による逃走電子制御手法のITERへの外挿を念頭において、磁場揺動による逃走電子損失機構をシミュレーションによって調べた。ITER-likeなMHD平衡に静的な磁気島を重畳した配位を考え、ディスラプション時に磁気面が崩壊した状況をモデル化する。ここでは、適当な初期条件の下で相対論的ドリフト方程式を解き、軌道の性質を特徴づける量としてトロイダル正準運動量やリアプノフ指数を評価した結果を示す。講演では、これらのシミュレーション結果を実験的なディスラプションの状況と対応付けるため、電流拡散方程式と逃走電子発生率の解析モデル、相対論的フォッカープランク方程式の3つで構成される簡略化したディスラプションモデルを解いた結果を相補的に示すことで、既存のJT-60Uクラスの装置とITERにおける逃走電子の閉じ込め特性の差異を議論する。
