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論文

Electromagnetic gyrokinetic simulation of turbulence in torus plasmas

石澤 明宏*; 前山 伸也; 渡邉 智彦*; 洲鎌 英雄*; 中島 徳嘉*

Journal of Plasma Physics, 81(2), p.435810203_1 - 435810203_41, 2015/04

 被引用回数:20 パーセンタイル:77.25(Physics, Fluids & Plasmas)

Gyrokinetic simulations of electromagnetic turbulence in magnetically confined torus plasmas including tokamak and heliotron/stellarator are reviewed. Magnetic perturbations can influence some key mechanisms of turbulent transport. Linear analysis shows that the ion-temperature gradient instability is unstable in low beta plasma and its growth rate is reduced by magnetic field line bending, while the kinetic ballooning mode is destabilized at high beta. In addition, trapped electron modes, electron temperature gradient modes, and micro-tearing modes can be destabilized. These instabilities are classified into two categories: ballooning parity and tearing parity modes. These parities are mixed by nonlinear interactions. In the nonlinear evolution, the zonal flow shear acts to regulate the ITG driven turbulence at low-beta. On the other hand, at finite beta, interplay between the turbulence and zonal flows becomes complicated because the production of zonal flow is influenced by the finite beta effects.

論文

Drift resonance effect on stochastic runaway electron orbit in the presence of low-order magnetic perturbations

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:10 パーセンタイル:52.66(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.

論文

Plan of ITER Remote Experimentation Center

小関 隆久; Clement, L. S.*; 中島 徳嘉*

Fusion Engineering and Design, 89(5), p.529 - 531, 2014/05

 被引用回数:8 パーセンタイル:60.89(Nuclear Science & Technology)

BA活動に基づく、ITERC計画におけるITER遠隔実験センターの計画について報告する。この事業は、ITERへの遠隔実験を実現するため、技術的課題の検討や開発を行いつつ、原子力機構青森研究開発センターにITER遠隔実験センターを構築し、JT-60SAやEUの現存するトカマク装置等を用いて、遠隔実験を実証することにある。この事業では、(1)遠隔地のユーザがオンサイトの実験室と同等の環境で効率的な遠隔実験を行えるシステムの開発、(2)実験計測データ量の巨大化に対応した効率的大量データ転送及び日本におけるITERデータストレージとしてのデータ保存、(3)遠隔地におけるリアルタイムなデータ参照を可能とするシステム及びデータ解析ソフトの開発、(4)プラズマシミュレーションと実験との融合を図り、より効率的な実験のプラズマ性能予測と実験結果の解明、等を活動のスコープとして挙げている。これらの事業計画と現状を報告する。

論文

Electromagnetic gyrokinetic turbulence in finite-beta helical plasmas

石澤 明宏*; 渡邉 智彦*; 洲鎌 英雄*; 前山 伸也; 中島 徳嘉*

Physics of Plasmas, 21(5), p.055905_1 - 055905_10, 2014/05

 被引用回数:13 パーセンタイル:61.76(Physics, Fluids & Plasmas)

A saturation mechanism for microturbulence in a regime of weak zonal flow generation is investigated by means of electromagnetic gyrokinetic simulations. The study identifies a new saturation process of the kinetic ballooning mode (KBM) turbulence originating from the spatial structure of the KBM instabilities in a finite-beta Large Helical Device (LHD) plasma. Specifically, the most unstable KBM in LHD has an inclined mode structure with respect to the mid-plane of a torus, i.e., it has a finite radial wave-number in flux tube coordinates, in contrast to KBMs in tokamaks as well as ion-temperature gradient modes in tokamaks and helical systems. The simulations reveal that the growth of KBMs in LHD is saturated by nonlinear interactions of oppositely inclined convection cells through mutual shearing as well as by the zonal flow. The saturation mechanism is quantitatively investigated by analysis of the nonlinear entropy transfer that shows not only the mutual shearing but also a self-interaction with an elongated mode structure along the magnetic field line.

論文

Numerical techniques for parallel dynamics in electromagnetic gyrokinetic Vlasov simulations

前山 伸也; 石澤 明宏*; 渡邉 智彦*; 中島 徳嘉*; 飯尾 俊二*; 筒井 広明*

Computer Physics Communications, 184(11), p.2462 - 2473, 2013/11

 被引用回数:14 パーセンタイル:69.59(Computer Science, Interdisciplinary Applications)

Numerical techniques for parallel dynamics in electromagnetic gyrokinetic simulations are introduced to regulate unphysical grid-size oscillations in the field-aligned coordinate. It is found that a fixed boundary condition and the nonlinear mode coupling in the field-aligned coordinate, as well as numerical errors of non-dissipative finite difference methods, produce fluctuations with high parallel wave numbers. The theoretical and numerical analyses demonstrate that an outflow boundary condition and a low-pass filter efficiently remove the numerical oscillations, providing small but acceptable errors of the entropy variables. The new method is advantageous for quantitative evaluation of the entropy balance that is required for obtaining a steady state in gyrokinetic turbulence.

論文

Gyrokinetic turbulence simulations of high-beta tokamak and helical plasmas with full-kinetic and hybrid models

石澤 明宏*; 前山 伸也; 渡邉 智彦*; 洲鎌 英雄*; 中島 徳嘉*

Nuclear Fusion, 53(5), p.053007_1 - 053007_13, 2013/05

 被引用回数:20 パーセンタイル:72.85(Physics, Fluids & Plasmas)

Turbulent transport in high-beta toroidal plasmas is investigated by means of an electromagnetic gyrokinetic model and a newly developed electromagnetic hybrid model consisting of the gyrokinetic equation for ions and fluid equations for electrons. Full gyrokinetic simulation results for Cyclone base case tokamak and for Large Helical Device (LHD) plasmas are quickly and accurately reproduced by the hybrid simulation. In the kinetic ballooning mode (KBM) driven turbulence the ion heat and particle fluxes are mainly caused by electrostatic perturbation, and the contribution of magnetic perturbation is small and negative. The electron heat flux is caused by both of electrostatic and magnetic perturbations. The numerical solutions satisfy the entropy balance equation, and the entropy variable is transferred from ions to electrons through electromagnetic perturbation. An analysis based on the entropy balance equation shows that the zonal structure is produced by magnetic nonlinearity corresponding to the Maxwell stress in the fluid limit but is weakened by electrostatic one related to the Reynolds stress. Linear analysis on the standard configuration of LHD plasmas shows the suppression of ion temperature gradient mode (ITG) by finite beta effects and the destabilization of KBM at high beta.

論文

Turbulent transport due to kinetic ballooning modes in high-beta toroidal plasmas

石澤 明宏*; 前山 伸也; 渡邉 智彦*; 洲鎌 英雄*; 中島 徳嘉*

Proceedings of 24th IAEA Fusion Energy Conference (FEC 2012) (CD-ROM), 8 Pages, 2012/10

Turbulent transport due to kinetic ballooning modes (KBMs) in high-beta toroidal plasmas is investigated by means of an electromagnetic gyrokinetic model and a newly developed electromagnetic hybrid model consisting of the gyrokinetic equation for ions and fluid equations for electrons. Full gyrokinetic simulation results for Cyclone base case tokamak with $$beta$$ = 2% and $$eta$$ = 0 are quickly and accurately reproduced by the hybrid simulation. Agreement between the hybrid and full kinetic simulations is confirmed on detailed transport mechanisms: electrostatic heat and particle fluxes and electromagnetic heat and particle pinches for ions and electrons. The numerical solutions satisfy the entropy balance equation, and entropy variable is transferred from ions to electrons through electromagnetic perturbation. The hybrid model enables us to simulate KBM turbulence in high-beta Large Helical Device (LHD) plasmas, for which full gyrokinetic simulation is difficult because of large computational cost. The critical beta of KBM in the standard LHD plasma is about 1.5% (1%) for $$eta$$ = 0 ($$eta$$ = 3).

論文

Overview of materials research and IFMIF-EVEDA under the Broader Approach framework

西谷 健夫; 谷川 博康; 山西 敏彦; Clement Lorenzo, S.*; Baluc, N.*; 林 君夫; 中島 徳嘉*; 木村 晴行; 杉本 昌義; Heidinger, R.*; et al.

Fusion Science and Technology, 62(1), p.210 - 218, 2012/07

 被引用回数:3 パーセンタイル:28.72(Nuclear Science & Technology)

幅広いアプローチ活動(BA)の国際核融合エネルギー研究センター(IFERC)事業の一環として行われている材料開発と国際核融合材料照射施設工学設計・工学実証(IFMIF/EVEDA)事業の最近の進展について報告する。IFERC事業では、六ヶ所の原型炉R&D施設が完成し、おもにブランケット材料に関する研究開発が進展している。IFMIF/EVEDA事業では、原型加速器の入射器が完成し、ビーム試験を実施している。液体リチウム試験ループは2011年3月の完成し、5m/sの流動試験に成功した。

論文

Multi-fluid transport equations on the flux coordinates in tokamaks

本多 充; 福山 淳*; 中島 徳嘉*

Europhysics Conference Abstracts (Internet), 36F, p.P5.014_1 - P5.014_4, 2012/00

The one-dimensional multi-fluid transport code TASK/TX is used to investigate the physics regarding rotation, radial current and the radial electric field. Unlike conventional diffusive transport codes, its equation system is more fundamental in that the code directly solves the momentum equations for all species plus Maxwell's equations. The main drawback to the code is that the basis equations are built on the cylindrical coordinates. Neoclassical effects have already been incorporated and its validity has been confirmed, but any geometrical effects have not entered yet. In this study, we derive the equations on the axisymmetric flux coordinates in a manner consistent with the current TASK/TX concept. The equations are projected onto the radial, poloidal ant toroidal directions in the current framework. In the flux coordinates, however, we have to project the equations of motion onto the radial, parallel and toroidal direction because of the neoclassical nature of a toroidal plasma.

論文

On the neoclassical relationship between the radial electric field and radial current in tokamak plasmas

本多 充; 福山 淳*; 中島 徳嘉*

Journal of the Physical Society of Japan, 80(11), p.114502_1 - 114502_14, 2011/11

 被引用回数:4 パーセンタイル:36.01(Physics, Multidisciplinary)

The equation is analytically derived, stipulating the relationship between the radial electric field $$E_r$$ and radial current $$j_r$$ in tokamak plasmas, especially when heated by neutral beam injection. On a very short time scale compared to the decay in poloidal rotation, the polarization current $$j_mathrm{p}$$ compensates for the non-ambipolar fast-ion radial current, $$j_r^mathrm{fast}$$, producing a concomitant time change in $$E_r$$. This $$j_mathrm{p}$$ predominates among the constituents of $$j_r$$ that produces the $$vec{j}timesvec{B}$$ torque. On a longer time scale, $$E_r$$ should be estimated through a force balance equation. In a steady state, transport of toroidal momentum plays a dominant role in balancing the torque induced by $$j_r^mathrm{fast}$$. Analytical work demonstrates that the basis equations of the one-dimensional transport code TASK/TX essentially have the capability to reproduce the phenomena derived, which is subsequently confirmed by numerical simulation.

論文

Neoclassical transport modeling compatible with a two-fluid transport equation system

本多 充; 福山 淳*; 中島 徳嘉*

Plasma and Fusion Research (Internet), 6, p.1403008_1 - 1403008_11, 2011/05

二流体方程式系に適合した新古典輸送モデルを提案する。このモデルはモーメント法に基づいており、NCLASSモジュールを用いることで、比較的簡単な新古典粘性テンソル表記を通して重要な新古典特性を正確に再現することができる。流体描像の新古典輸送理論を適用することで、1次の流れ、ポロイダル流、新古典抵抗、ブートストラップ電流、粒子束について、TASK/TXの結果とNCLASSの出力結果が良い一致を示すことがわかった。

論文

Integrated transport simulation of LHD plasmas using TASK3D

若狭 有光*; 福山 淳*; 村上 定義*; 三木 真幸*; 横山 雅之*; 佐藤 雅彦*; 登田 慎一郎*; 舟場 久芳*; 田中 謙治*; 居田 克巳*; et al.

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

An integrated transport simulation code for helical plasmas, TASK3D, is developed and applied to LHD plasmas. Neoclassical transport in helical plasmas is evaluated by the neutral-network-based neoclassical transport database, DGN/LHD. Five anomalous transport models are included and the estimated temperature profiles with experiments are compared. We also take into account the differential equation for the radial electric field $$E_r$$ into TASK3D. The obtained electron and ion thermal diffusivities with the Alcator, Bohm, and gyro-Bohm models indicate anomalous thermal transport dominates for electrons, while neoclassical thermal transport plays a crucial role for ions. TASK/TX, solving surface-averaged multi-fluid equations, is also applied to the LHD plasma to examine the time evolution of $$E_r$$ and plasma rotation. The transition between the electron and ion roots, and the radial structure of $$E_r$$ has been demonstrated self-consistently.

論文

Neoclassical relationship between the radial electric field and the radial current in tokamak plasmas

本多 充; 福山 淳*; 中島 徳嘉*

Europhysics Conference Abstracts (Internet), 35G, p.P2.137_1 - P2.137_4, 2011/00

The equation is analytically derived, stipulating the relationship between the radial electric field $$E_r$$ and radial current $$j_r$$ in tokamak plasmas, especially when heated by neutral beam injection. On a very short time scale compared to the decay in poloidal rotation, the polarization current $$j_mathrm{p}$$ compensates for the non-ambipolar fast-ion radial current, $$j_r^mathrm{fast}$$, producing a concomitant time change in $$E_r$$. This $$j_mathrm{p}$$ predominates among the constituents of $$j_r$$ that produces the $$vec{j}timesvec{B}$$ torque. On a longer time scale, $$E_r$$ should be estimated through a force balance equation. In a steady state, transport of toroidal momentum plays a dominant role in balancing the torque induced by $$j_r^mathrm{fast}$$. Analytical work demonstrates that the basis equations of the one-dimensional transport code TASK/TX essentially have the capability to reproduce the phenomena derived, which is subsequently confirmed by numerical simulation.

論文

ITPA(国際トカマク物理活動)会合報告,20

藤田 隆明; 福田 武司*; 福山 淳*; 坂本 宜照; 東井 和夫*; 小川 雄一*; 竹永 秀信; 滝塚 知典; 矢木 雅敏*; 山田 弘司*; et al.

プラズマ・核融合学会誌, 84(1), p.70 - 72, 2008/01

2007年の秋季に、国際トカマク物理活動に関する上記4つの会合が開催された。「輸送物理」,「閉じ込めデータベースとモデリング」,「周辺及びペデスタルの物理」の3会合は、那珂核融合研究所にて行われ、グループ間の合同会合も多数開かれた。日本の参加者は44名に上った。「MHD」の会合は、ガルヒン(ドイツ)のマックスプランク研究所で行われた。次回会合は、2008年の春に「輸送物理」と「閉じ込めデータベースとモデリング」が合同でオークリッジ国立研究所(米国)で、「周辺及びペデスタルの物理」がサンディエゴ(米国)のGeneral Atomic社で、「MHD」は那珂核融合研究所で開催の予定である。

論文

ITPA(国際トカマク物理活動)会合報告,19

笹尾 真実子*; 草間 義紀; 河野 康則; 川端 一男*; 間瀬 淳*; 杉江 達夫; 藤田 隆明; 福田 武司*; 福山 淳*; 坂本 宜照; et al.

プラズマ・核融合学会誌, 83(9), p.779 - 782, 2007/09

2007年春季に開催された国際トカマク物理活動(ITPA)の7つのトピカルグループ(TG)会合の報告である。各会合では、国際熱核融合実験炉(ITER)等の燃焼プラズマ実験における重要度の高い物理課題に関して、議論・検討が行われた。日本からの参加者数は27人であった。以下に、TGごとの開催日程及び開催地を示す。(1)計測TG:3月26日-30日、プリンストン(米国),(2)輸送物理TG:5月7日-10日、ローザンヌ(スイス),(3)閉じ込めデータベースとモデリングTG:5月7日-10日、ローザンヌ(スイス),(4)周辺及びペデスタルの物理TG:5月7日-10日、ガルヒン(ドイツ),(5)定常運転TG:5月9日-11日、大田(韓国),(6)MHD TG:5月21日-24日、サンディエゴ(米国),(7)スクレイプオフ層及びダイバータ物理TG:5月7日-10日、ガルヒン(ドイツ)。

論文

Studies of fast-ion transport induced by energetic particle modes using fast-particle diagnostics with high time resolution in CHS

磯部 光孝*; 東井 和夫*; 松下 啓行*; 後藤 和幸*; 鈴木 千尋*; 永岡 賢一*; 中島 徳嘉*; 山本 聡*; 村上 定義*; 清水 昭博*; et al.

Nuclear Fusion, 46(10), p.S918 - S925, 2006/10

 被引用回数:27 パーセンタイル:69.39(Physics, Fluids & Plasmas)

将来の核融合炉におけるアルファ粒子等の高速イオンによるMHD不安定性の励起とそれに伴うアルファ粒子の異常損失の危惧から、近年、高速粒子モード(EPM)やTAEモードといったMHD不安定性と高速イオンとの相互作用、並びにその結果生ずる高速イオン輸送・損失に関する研究が重要視されるようになってきている。核融合科学研究所のCompact Helical System(CHS)では、シンチレータを利用した高速イオンプローブ,高速中性粒子分析器、並びに多チャンネルHalpha光計測システム等を駆使して上記を研究対象とした実験を進めている。最近の研究から、中性粒子ビーム(NB)加熱プラズマにおいて発生するバースト的EPMモード(m/n=3/2)により、入射エネルギー近傍のエネルギーを持つ高速イオンのみが大半径方向外側へ排出されていることがわかった。磁場揺動レベルが最大に達した頃に高速イオンの排出が始まり、磁場揺動の周波数は、排出が始まると同時にダウンシフトを示す。高速イオン排出が収まるのとほぼ同時に磁場揺動も収まり、これらの観測結果は、このモードは入射エネルギー近傍の高速ビームイオンによりいわば共鳴的に励起されていることを示唆している。また、TAEモードについては、2機のNBを低密度プラズマに接線co-入射した場合に、顕著な高速イオンの排出が確認された。

論文

ITPA(国際トカマク物理活動)会合報告,17

朝倉 伸幸; 加藤 隆子*; 仲野 友英; 高村 秀一*; 田辺 哲朗*; 飯尾 俊二*; 中島 徳嘉*; 小野 靖*; 小関 隆久; 武智 学; et al.

プラズマ・核融合学会誌, 82(7), p.448 - 450, 2006/07

2006年の1月から4月にかけて開催されたITPA(国際トカマク物理活動)の7つのトピカル物理グループ(「スクレイプオフ層及びダイバータ物理」,「MHD」,「周辺及びペデスタルの物理」,「定常運転」,「計測」,「輸送物理」,「閉じ込めデータベースとモデリング」)の会合に関する報告である。7つの会合を合わせて、原子力機構から担当委員12名が参加するとともに、委員外4名が発表を行った。磁場リップル低減のためのフェライト鋼装着後のプラズマ性能の向上等のJT-60の実験結果が報告された。

論文

ITPA(国際トカマク物理活動)会合報告,15

二宮 博正; 朝倉 伸幸; 加藤 隆子*; 高村 秀一*; 田辺 哲朗*; 仲野 友英; 飯尾 俊二*; 小関 隆久; 小野 靖*; 杉原 正芳; et al.

プラズマ・核融合学会誌, 81(11), p.960 - 961, 2005/11

上記のITPA調整委員会は2005年6月6日$$sim$$7日にモスクワのクルチャトフ研究所において開催され、2件のトピカル物理グループ会合は第32回欧州物理学会(6月27日$$sim$$7月1日,スペイン,タラゴナ)の翌週にタラゴナのルビラ=イ=ビルジリ大学にて開催された。IEA大型トカマクワークショップ「燃焼プラズマ物理とシミュレーション(W60)」との共同開催及びトピカルグループ間の合同会合も行われ、活発な議論が行われた。

論文

ITPA(国際トカマク物理活動)会合報告,13

河野 康則; 川端 一男*; 草間 義紀; 笹尾 真実子*; 杉江 達夫; 間瀬 淳*; 朝倉 伸幸; 加藤 隆子*; 高村 秀一*; 田辺 哲朗*; et al.

プラズマ・核融合学会誌, 81(2), p.128 - 130, 2005/02

2004年の秋季に、ITPA(国際トカマク物理活動)に関する7つの会合が開催された。「計測」グループ会合は10月に中国で行われたが、その他の6つのグループ(スクレイプオフ層及びダイバータ物理,輸送物理,閉じ込めデータベースとモデリング,定常運転,MHD・ディスラプション・制御,周辺及びペデスタルの物理)会合は第20回IAEA核融合エネルギー会議(2004年11月1日$$sim$$6日,ポルトガル,ヴィラモウラ)の翌週にリスボンのリスボン工科大学に集中して開かれた。調整委員会議長の提案で開催された全体会合をはじめ、トピカルグループの合同会合も多数開かれ、国際装置間比較実験の結果報告と活発な議論が行われた。ITPA及び国際装置間比較実験へ日本側から多くの継続した寄与が望まれることから、本会合では初めて核融合フォーラムから滞在費・旅費の補助が大学及び研究機関の研究者9名に対し行われ、各グループの重要課題の解決及び国際研究活動の進展に貢献した。2005年の会合予定も併せて示した。

論文

Nonperturbative effects of energetic ions on Alfv$'e$n eigenmodes

藤堂 泰*; 中島 徳嘉*; 篠原 孝司; 武智 学; 石川 正男; 山本 聡*

Proceedings of 20th IAEA Fusion Energy Conference (FEC 2004) (CD-ROM), 8 Pages, 2004/11

JT-60Uにおける高エネルギーイオン駆動不安定性の線形性質及び非線形時間発展を磁気流体と高エネルギー粒子のためのシミュレーションコードを用いて調べた。不安定モードの空間分布は安全係数分布が平坦なプラズマ中心付近で最大値をとる。この不安定モードの実周波数は、実験における速い周波数掃引モードの開始周波数に近い値である。シミュレーション結果は、高エネルギーイオン軌道幅と高エネルギーイオン圧力が不安定モード動径方向分布幅を非常に大きくすることを示している。調べた高エネルギーイオン軌道幅の中で最小値の場合は、不安定モードは小半径の20%以内に局在している。これは、磁気流体効果のみで誘導できる空間分布幅の上限を与える。JT-60Uの実験条件においては、高エネルギーイオンは不安定モード空間分布の半径方向の幅を、最小軌道幅の場合と比較して3倍に広げている。この不安定モードは主として高エネルギー粒子によって誘導されているのである。非線形発展においては、速い周波数掃引モードに近い率で周波数が上下に変化することが示される。JT-60Uにおける高エネルギー粒子モードに加えて、ヘリカル座標系のためのシミュレーションコードによるLHD的プラズマにおけるTAEの研究が報告される。

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