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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

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

Effects of toroidal rotation shear and magnetic shear on thermal and particle transport in plasmas with electron cyclotron heating on JT-60U

吉田 麻衣子; 本多 充; 成田 絵美*; 林 伸彦; 浦野 創; 仲田 資季; 宮戸 直亮; 竹永 秀信; 井手 俊介; 鎌田 裕

Nuclear Fusion, 55(7), p.073014_1 - 073014_9, 2015/07

 被引用回数:10 パーセンタイル:38.39(Physics, Fluids & Plasmas)

多くのトカマク装置では電子サイクロトロン加熱(ECH)時に熱や粒子の輸送が増大することが観測されており、ITERではECHを伴う運転シナリオの開発にとって重要な課題となっている。この課題を解決するために、JT-60Uの正磁気シアHモード放電、内部輸送障壁を伴う弱磁気シア放電と負磁気シア放電において、ECH印加時に熱及び粒子輸送が増加しない条件を調査した。その結果、トロイダル回転シアが負の大きい値をとる条件では、電子サイクロトロン加熱時のイオン熱輸送の上昇が抑えられることが分かった。この条件は、イオン温度対電子温度の比や、電子加熱パワーに寄らないことを明らかにした。磁気シアが負の値をとる条件では、その値の大きさに寄らず、電子熱輸送と粒子輸送が増加しないことが分かった。これらの結果は、ITERでのECH加熱シナリオの開発や電子加熱が主体となるITER及び原型炉でのプラズマ輸送特性の予知に重要な知見を与える。

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

On push-forward representations in the standard gyrokinetic model

宮戸 直亮; 矢木 雅敏; Scott, B. D.*

Physics of Plasmas, 22(1), p.012103_1 - 012103_9, 2015/01

 被引用回数:2 パーセンタイル:86.35(Physics, Fluids & Plasmas)

標準ジャイロ運動論モデルでは2つの形式的に異なる流体モーメントの押し出し表現を考えることができる。従来から用いられている表現ではジャイロ中心変換に関係する部分がジャイロ中心分布関数の引き戻し表現として現れる。これはジャイロ中心変換を生成するスカラー関数を含むが、通常、その最低次の解しか用いない。これは分極項を含むスカラー流体モーメントの押し出し表現を具体的に求めるときも同様である。しかしながら、分極ドリフトによる粒子フラックスなど有限ラーマ-半径効果による項を含む粒子フラックスの押し出し表現を導くためには、通常よりも高次の解が必要になる。一方、ジャイロ中心部分と案内中心部分が統合され、分布関数の押し出し表現が出てこないもう一つの表現を用いると、最低次の解で十分である。

論文

Effect of ion temperature gradient driven turbulence on the edge-core connection for transient edge temperature sink

宮戸 直亮

Plasma and Fusion Research (Internet), 9, p.1203148_1 - 1203148_3, 2014/12

グローバルランダウ流体コードを用いて、プラズマ端領域のポロイダル面で局在化した過渡的な温度シンクを適用したイオン温度勾配(ITG)駆動乱流のシミュレーションを行った。プラズマ端のシンクにより入力される$$(m, n)$$=$$(pm 1, 0)$$の圧力揺動をITG乱流が散逸することを明らかにした。この$$(pm 1, 0)$$の圧力揺動は、簡約化磁気流体力学(RMHD)シミュレーションで発見された非局所輸送において、炉心領域とプラズマ端をつなぐ重要な働きしているため、ITG乱流はRMHDシミュレーションで観測される種類のプラズマの非局所応答/輸送を妨げる傾向にあるといえる。

論文

ITPA(国際トカマク物理活動)会合報告,47

諫山 明彦; 浦野 創; 宮戸 直亮; 井手 俊介; 朝倉 伸幸; 篠原 孝司

プラズマ・核融合学会誌, 90(12), p.830 - 833, 2014/12

2014年の秋季に国際トカマク物理活動(ITPA)に関する6つの会合(「ペデスタル物理」、「輸送と閉じ込め物理」、「統合運転シナリオ」、「スクレイプオフ層およびダイバータ物理」、「高エネルギー粒子物理」、「MHD安定性」)が開催された。各会合の概要をまとめて報告する。

論文

Extension of kinetic-magnetohydrodynamic model to include toroidal rotation shear effect and its application to stability analysis of resistive wall modes

白石 淳也; 宮戸 直亮; 松永 剛; 本多 充; 林 伸彦; 井手 俊介

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

トカマクプラズマにおいて発生する電磁流体力学(MHD: Magnetohydrodynamics)モードに対する、トロイダル回転シア効果及び運動論的効果を解明するため、運動論的MHDモデルの拡張を行った。回転の効果を含む案内中心ラグランジアンを用いて、運動論的MHDモデルの再定式化を行った。その結果、案内中心の運動がコリオリ力と遠心力の効果を受けて、MHDモードと粒子運動の共鳴によるエネルギー項が拡張されることを示した。また、平衡の分布関数に回転の効果を入れることでも拡張を行った。これらの効果は、従来の運動論的MHDモデルでは見落とされてきた。この拡張された運動論的MHDモデルをトカマク配位における抵抗性壁モード(RWM: Resistive Wall Mode)解析コードMINERVA/RWMaCに実装し、ベンチマークに成功した。また、当コードをJT-60Uを模擬した平衡に応用し、回転シア効果によって、RWMが粒子運動と共鳴してエネルギーが減衰することが明らかになった。

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:50.76(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

Edge radial electric field formation after the L-H transition on JT-60U

神谷 健作; 松永 剛; 本多 充; 宮戸 直亮; 浦野 創; 鎌田 裕; 居田 克巳*; 伊藤 公孝*; JT-60チーム

Contributions to Plasma Physics, 54(4-6), p.591 - 598, 2014/06

 被引用回数:6 パーセンタイル:60.69(Physics, Fluids & Plasmas)

JT-60U装置において観測されたL-H遷移における径電場構造について報告する。本発表では、無次元量であるポロイダルマッハ数に着目し、通常のトカマク型装置において観測される閉じ込め時間よりも十分短い時間スケールのL-H遷移現象とJT-60Uで観測される閉じ込め時間程度の長い時間スケールのL-H遷移現象を比較する。さらに、長い時間スケールのL-H遷移に続いて観測されるHモード中における短い時間スケールの多段階電場遷移のメカニズムについて、同一条件でもHモード中の多段階電場遷移現象の無い場合とプラズマ分布や乱流状態を詳細に比較することで、その発生条件を探り、また理論モデルとも比較する。

論文

Simulation study of nonlocal transport from edge to core in tokamak plasmas

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:100(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 ($$m,n$$) indicates the set of poloidal mode number $$m$$ 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.

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

Simulation study on nonlocal transport for peripheral density source

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 ($$m$$,$$n$$) indicates the set of poloidal mode number m and the toroidal mode number $$n$$. (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.

論文

On kinetic resistive wall mode theory with sheared rotation

白石 淳也; 宮戸 直亮; 松永 剛

Plasma and Fusion Research (Internet), 9, p.3403027_1 - 3403027_4, 2014/04

トカマクにおいてトロイダル回転シアが存在する場合の運動論的抵抗性壁モード(RWM: Resistive Wall Mode)の安定性を決定する分散関係を導出した。運動論的RWM理論では、分散関係はエネルギー汎関数により記述され、エネルギー汎関数は案内中心のラグランジアンによって特徴付けられる。しかし、従来の運動論的RWM理論では、回転が小さいとして、回転の効果を含まないラグランジアンを用いてきた。本研究では、回転シアがある場合にはラグランジアンは一般化されることに着目し、一般化されたラグランジアンを用いて、運動論的RWM理論による分散関係の構造について調べた。その結果、エネルギー汎関数は、従来の磁場曲率に起因する項に加えて、案内中心の遠心力加速による項が付け加わることが分かった。大アスペクト比近似のもと数値解析を行ったところ、新しいエネルギー汎関数は虚部を持つため、減衰効果を持つことが分かった。また、回転シアにより、RWMが安定化されることが明らかになった。これは、JT-60Uで観測された実験結果の傾向と一致している。

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

Temporal and spatial responses of temperature, density and rotation to electron cyclotron heating in JT-60U

吉田 麻衣子; 井手 俊介; 竹永 秀信; 本多 充; 浦野 創; 小林 貴之; 仲田 資季; 宮戸 直亮; 鎌田 裕

Nuclear Fusion, 53(8), p.083022_1 - 083022_10, 2013/07

 被引用回数:5 パーセンタイル:71.19(Physics, Fluids & Plasmas)

JT-60装置の閉じ込め改善モード(H-mode)のプラズマと内部障壁(ITB)を有するプラズマにおいて、電子サイクロトロン加熱(ECH)時のイオン系と電子系の応答特性と輸送について調べ、以下のことを明らかにした。ECHにより電子温度は上昇し、イオン温度は減少する。イオン温度の減少するタイムスケールは、H-modeにおいてはECH入射位置で短く、ITBプラズマにおいてはITBの形成位置で短い。ECHのパワーが増加すると、イオンの熱輸送係数と電子の熱輸送係数はともに増加する。電子密度がピークしている場合に、ECHによる電子密度の減少が起こる。トロイダル回転速度は、ECHを入射すると零回転からプラズマ電流とは逆方向に変化する特性を持つ(ECHによる自発回転の存在)。この回転の変化は、イオン温度の減少や電子温度の上昇のタイムスケールより2倍以上長い。ECH入射付近では、トロイダル回転速度の変化と電子温度の変化は相関しているのに対して、トロイダル回転が変化する半径位置は電子温度やイオン温度が変化する位置より広い。

論文

On the Gyrokinetic model in long wavelength regime

宮戸 直亮; Scott, B. D.*; 矢木 雅敏

Plasma Physics and Controlled Fusion, 55(7), p.074011_1 - 074011_6, 2013/07

 被引用回数:6 パーセンタイル:66.13(Physics, Fluids & Plasmas)

The standard gyrokinetic model is formulated for perturbations with short wavelength and small amplitude. In the long wavelength regime, the polarisation density term with electrostatic potential $$varphi$$ in the gyrokinetic quasi-neutrality equation goes to higher order than usual. Therefore, we should consider the other higher order terms to obtain $$varphi$$ from the equation. This issue is investigated from the point of view of the push-forward representation of particle density. The polarisation density term stems from the ${it gyro-centre}$ displacement vector. There is another piece associated with the ${it guiding-centre}$ transformation which is not considered in the standard model. The gyrokinetic Hamiltonian is modified by taking into account this piece. The quasi-neutrality equation is derived rigorously from the modified Hamiltonian through a variational method and we find several additional terms resulting from non-uniformity of magnetic field.

論文

Stabilization of resistive wall modes by magnetohydrodynamic equilibrium change induced by plasma toroidal rotation

白石 淳也; 相羽 信行; 宮戸 直亮; 矢木 雅敏

Proceedings of 24th IAEA Fusion Energy Conference (FEC 2012) (CD-ROM), 8 Pages, 2013/03

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

Modifications to the edge radial electric field by angular momentum injection in JT-60U and their implication for pedestal transport

神谷 健作; 本多 充; 宮戸 直亮; 浦野 創; 吉田 麻衣子; 坂本 宜照; 松永 剛; 大山 直幸; 小出 芳彦; 鎌田 裕; et al.

Nuclear Fusion, 52(11), p.114010_1 - 114010_12, 2012/10

 被引用回数:9 パーセンタイル:54.62(Physics, Fluids & Plasmas)

JT-60UのNBI加熱プラズマにおけるType-I ELMy Hモードの周辺径電場構造について報告する。径電場は荷電交換分光計測による炭素イオンのトロイダル、ポロイダル及び反磁性フローの径方向の力の釣り合いから評価した。本研究では、NBIによる外部運動量入力方向を変化させた場合のType-I ELM発生直前の電場シアとイオン温度ペデスタル構造との関係に着目している。運動量入射方向に応じてトロイダル流だけでなくポロイダル流の変化が観測された。その結果、co-NBIの場合には電場シア領域が広がり、counter-NBIの場合には電場の井戸が深くなった。電流方向への運動量入射とともにイオン温度ペデスタル幅が広がる事はE$$times$$Bシア領域の拡大結果と矛盾しない。しかし運動量入射方向の違いによって電場シア構造が大きく異なるにもかかわらず最大イオン温度勾配には大きな変化は観測されていない。

論文

Observation of energetic particle driven axisymmetric mode in the JT-60U tokamak

松永 剛; 神谷 健作; 篠原 孝司; 宮戸 直亮; 小島 有志; Bierwage, A.; JT-60チーム

Europhysics Conference Abstracts (Internet), 36F, p.P2.062_1 - P2.062_4, 2012/00

In the JT-60U experimental operations with high normalized beta $$beta_mathrm{N}$$ or high bootstrap fraction $$f_mathrm{BS}$$, magnetic fluctuations with multiple peaks in the geodesic acoustic mode (GAM) frequency range are observed. These peaks appear just after tangential NB injection with 90 keV beam energy in L-mode phase to form weak/strong reversed magnetic shear plasmas. Observed magnetic fluctuations have $$n$$ = 0 axisymmetric toroidal mode structures and $$m$$ = 2 poloidal ones, where $$n$$ and $$m$$ are the toroidal and poloidal mode number, respectively. Interestingly, the poloidal mode structure sometimes behaves like standing wave. Usually, the standing wave nodes are located around the inboard and outboard midplanes, and the top and bottom of plasmas. Namely, these modes have $$m$$ = 2 components in both ion and electron diamagnetic directions. We will report the detail of the observed $$n$$ = 0 axisymmetric modes in the JT-60U tokamak.

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