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論文

Neoclassical transport benchmark of global full-f gyrokinetic simulation in stellarator configurations

松岡 清吉; 井戸村 泰宏; 佐竹 真介*

Physics of Plasmas, 25(2), p.022510_1 - 022510_10, 2018/02

 被引用回数:6 パーセンタイル:41.93(Physics, Fluids & Plasmas)

プラズマ輸送シミュレーションにおいて、ジャイロ運動論方程式をスケール分離を仮定せずプラズマ全体について第一原理に基づいて解く大域的full-fシミュレーション手法が注目されている。本研究では、複雑な3次元磁場形状をもつステラレータ型プラズマを大域的full-fジャイロ運動論シミュレーションコードであるGT5Dに適用するため、GT5Dの差分計算手法の拡張、及び3次元磁場平衡構築コードVMECとのインターフェースの開発を行った。開発したコード群の妥当性検証を目的として輸送に関する標準的なベンチマーク計算を行った。その結果、GT5Dが局所理論解析モデルや他の大域的新古典輸送コードの結果とよく一致することを示した。

論文

Electron heat diffusivity in radially-bounded ergodic region of toroidal plasma

菅野 龍太郎*; 沼波 政倫*; 佐竹 真介*; 松岡 清吉; 高丸 尚教*

Nuclear Fusion, 58(1), p.016033_1 - 016033_7, 2018/01

 被引用回数:0 パーセンタイル:100(Physics, Fluids & Plasmas)

摂動磁場による磁気面の破壊を伴う乱れた磁場構造をもつトーラスプラズマ中の電子熱輸送について研究を行った。本論文では、摂動磁場に沿った粒子の平行方向軌道に起因する熱輸送が、捕捉粒子軌道の効果によって低減されることを明らかにした。

論文

Global kinetic simulations of neoclassical toroidal viscosity in low-collisional perturbed tokamak plasmas

松岡 清吉; 井戸村 泰宏; 佐竹 真介*

Physics of Plasmas, 24(10), p.102522_1 - 102522_9, 2017/10

 被引用回数:2 パーセンタイル:78.21(Physics, Fluids & Plasmas)

軸対称磁場閉じ込め装置であるトカマク型プラズマにおいて、誤差磁場等に起因する3次元的な非軸対称成分を持つ摂動磁場の効果が閉じ込め性能向上や不安定性制御の観点から注目されている。近年、3次元摂動磁場が駆動する衝突性粘性について、従来より広く用いられてきたバウンス平均理論モデルと大域的運動論シミュレーションの両者で得られた結果が一致しないことが指摘され、その物理機構の解明が課題となっていた。本研究では、二つの異なるモデルに基づいた大域的運動論シミュレーションを用いて詳細な解析を行い、上記の差異が生じる物理機構について検討した。その結果、理論モデルと大域的シミュレーションの不一致が、(1)粒子軌道の効果によって粒子軌道の共鳴構造が失われ、粒子が実効的に感じる摂動磁場強度が弱まること、(2)粒子軌道に沿った位相混合により速度空間構造内に微細構造が生成され輸送量の減衰が起きること、の二つが原因であることを明らかにした。

論文

Benchmark of the local drift-kinetic models for neoclassical transport simulation in helical plasmas

Huang, B.*; 佐竹 真介*; 菅野 龍太郎*; 洲鎌 英雄*; 松岡 清吉

Physics of Plasmas, 24(2), p.022503_1 - 022503_19, 2017/02

 被引用回数:5 パーセンタイル:49.29(Physics, Fluids & Plasmas)

プラズマ中の衝突性輸送(新古典輸送)を記述するドリフト運動論方程式に関して、近年、ゼロ軌道幅(ZOW)モデルと呼ばれる新たな局所近似近似モデルが提案されている。本研究では、ZOWモデルに基づく新古典輸送評価の妥当性を検証することを目的として、典型的な3つのヘリカル型磁場配位LHD, HSX, W7-Xのプラズマについて、種々の近似モデルを用いた新古典輸送及び平行方向フローのベンチマーク計算を実施した。その結果、ZOWモデルによる新古典輸送は径電場が大きく粒子の$$Etimes B$$ドリフトが大きい時には従来型の近似モデルをほぼ再現することを示した。また、従来型近似モデルを用いた場合には、$$Etimes B$$ドリフトが小さく磁場ドリフトと同程度になった際に生じる非物理的な大きな新古典輸送が生じるが、このような非物理的な輸送の増大がZOWモデルでは生じないことも明らかになった。

論文

Development of a drift-kinetic simulation code for estimating collisional transport affected by RMPs and radial electric field

菅野 龍太郎*; 沼波 政倫*; 佐竹 真介*; 松岡 清吉; 高丸 尚教*

Contributions to Plasma Physics, 56(6-8), p.592 - 597, 2016/08

 被引用回数:1 パーセンタイル:90.06(Physics, Fluids & Plasmas)

共鳴摂動磁場と径電場の効果を含む準定常状態の衝突性輸送を計算するための$$delta f$$法に基づくドリフト運動論コードを開発した。本論文では、コードの妥当性を複数のテスト問題によって確認した。その結果、径電場がない場合に磁力線のカオス的振る舞いによって強く影響を受ける電子輸送が、正の径電場によって低減されることを明らかにした。

論文

Radially local approximation of the drift kinetic equation

洲鎌 英雄*; 松岡 清吉; 佐竹 真介*; 菅野 龍太郎*

Physics of Plasmas, 23(4), p.042502_1 - 042502_11, 2016/04

 被引用回数:3 パーセンタイル:72.89(Physics, Fluids & Plasmas)

ドリフト運動論方程式について、$$rm E times B$$及び磁気面に沿ったドリフトの両者を含む新たな径方向局所近似モデルを構築した。このモデルは保存系で表現されており定常解を得るための追加のソース項を必要としない為、数値計算に適したモデルとなっている。このモデルから得られる解は、準対称性を持つ磁場配位における性質として重要な、衝突性粒子輸送の両極性条件を満たす。また、逆に、両極性条件を故意に破るような近似モデルを考えた場合には、衝突性輸送によるエントロピー生成の正値性及び拡散係数のオンサーガー対称性が得られることを示した。

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

Integrated modelling of toroidal rotation with the 3D non-local drift-kinetic code and boundary models for JT-60U analyses and predictive simulations

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:5 パーセンタイル:64.43(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 $$E_r$$ and the resultant toroidal rotation $$V_phi$$ 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 $$delta f$$ 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 $$V_phi$$ in JT-60U and $$E_r$$ holds the key to determine the NTV profile. The sensitivity of the $$V_phi$$ profile to the boundary rotation necessitates a boundary condition modelling for toroidal momentum. Owing to the high-resolution measurement system in JT-60U, the $$E_r$$ gradient is found to be virtually zero at the separatrix regardless of toroidal rotation velocities. Focusing on $$E_r$$, 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.

論文

Quality and performance of a pseudo-random number generator in massively parallel plasma particle simulations

松岡 清吉*; 佐竹 真介*; 井戸村 泰宏; 今村 俊幸*

Proceedings of Joint International Conference on Mathematics and Computation, Supercomputing in Nuclear Applications and the Monte Carlo Method (M&C + SNA + MC 2015) (CD-ROM), 13 Pages, 2015/04

プラズマ輸送のモンテカルロ粒子コードを用いて並列擬似乱数発生ライブラリKMATH_RANDOMの特性と性能を評価した。本ライブラリはジャンプルーチンを伴うメルセンヌ・ツイスタに基いて実装されており、京コンピュータのような超並列スーパーコンピュータに適し、容易に利用可能である。本ライブラリは擬似乱数発生器の特性と性能を劣化させることなく粒子コードの並列化を数千プロセスまで向上する。その結果、大量の乱数を効率的に発生させることが可能となり、粒子コードで数値ノイズに起因する非物理的な現象を除去できるようになった。

論文

Experimental analyses and predictive simulations of toroidal rotation driven by the neoclassical toroidal viscosity in rippled tokamaks

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:10 パーセンタイル:42.21(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 $$E_r$$. 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 $$E_r$$.

論文

Integrated modeling of toroidal rotation with the 3D non-local drift-kinetic code and boundary models for JT-60U analyses and predictive simulations

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 $$E_r$$ 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 $$E_r$$ 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 $$E_r$$ gradient is found to be insensitive at the separatrix. Focusing on $$E_r$$, 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.

論文

Simulations of toroidal rotation driven by the neoclassical toroidal viscosity in tokamaks

本多 充; 佐竹 真介*; 鈴木 康浩*; 松永 剛; 井手 俊介; 吉田 麻衣子; 林 伸彦

Europhysics Conference Abstracts (Internet), 37D, p.P1.182_1 - P1.182_4, 2013/07

For simulations of toroidal rotation with the neoclassical toroidal viscosity (NTV) included, the framework of the collaborative execution of the integrated code TOPICS with the 3D equilibrium code VMEC and the 3D neoclassical transport code FORTEC-3D has been developed. In tokamaks, toroidally-asymmetric components of the magnetic field exist and they produce the neoclassical toroidal viscosity. The neoclassical toroidal viscosity damps or sometimes accelerates toroidal rotation towards a certain rotation level, called the offset rotation. The contribution of the neoclassical toroidal viscosity to toroidal rotation has been investigated in JT-60SA plasmas. The simulations show that even the smaller ripple amplitude produces a non-negligible amount of the NTV torque that is almost comparable to the NBI torque.

論文

Turbulence spectra, transport, and $$E$$$$times$$$$B$$ flows in helical plasmas

渡邉 智彦*; 沼波 政倫*; 洲鎌 英雄*; 佐竹 真介*; 松岡 清吉*; 石澤 明宏*; 前山 伸也; 田中 謙治*

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

Gyrokinetic simulation of ion temperature gradient turbulence and zonal flows for helical plasmas has been validated against the Large Helical Device experiments with high ion temperature, where a reduced modeling of ion heat transport is also considered. It is confirmed by the entropy transfer analysis that the turbulence spectrum elongated in the radial wavenumber space is associated with successive interactions with zonal flows. A novel multi-scale simulation for turbulence and zonal flows in poloidally-rotating helical plasmas has demonstrated strong zonal flow generation byturbulence, which implies that turbulent transport processes in non-axisymmetric systems are coupled to neoclassical transport through the macroscopic $$E$$$$times$$$$B$$ flows determined by the ambipolarty condition for neoclassical particle fluxes.

論文

Benchmark test of drift-kinetic and gyrokinetic codes through neoclassical transport simulations

佐竹 真介*; 井戸村 泰宏; 洲鎌 英雄*; 渡邉 智彦*

Computer Physics Communications, 181(6), p.1069 - 1076, 2010/06

 被引用回数:22 パーセンタイル:20.64(Computer Science, Interdisciplinary Applications)

ドリフト運動論方程式とジャイロ運動論方程式をトロイダルプラズマにおいて解析する2つのシミュレーションコードに対して新古典輸送の計算結果の比較によるベンチマークを行った。トカマク配位においては、新古典熱流束、及び、平行平均流を径電場と温度勾配に関係づける力の釣り合いの式を2つのコードで比較し、さらにそれらを局所新古典輸送理論とも比較した。この結果、2つのコードの計算結果は広範なプラズマ衝突度パラメータ領域$$nu^*=0.01sim10$$において非常によく一致し、また、理論評価とも一致することを確認した。径電場と粒子束の時間発展、及び、測地線モード周波数の径方向分布に関しても非常に良い一致が見られた。

論文

Singular value decomposition analysis of multichannel electron cyclotron emission signals of tokamak plasma

諫山 明彦; 岩間 尚文*; 細田 陽介*; 佐武 慎介*; 伊世井 宣明; 石田 真一; 佐藤 正泰

Japanese Journal of Applied Physics, Part 2, 42(3), p.L329 - L331, 2003/03

 被引用回数:2 パーセンタイル:88.56(Physics, Applied)

一般に多チャンネルの計測装置のデータセットは行列で表現でき、そのデータに行列演算を施すことにより新しい信号処理手法が確立できることが期待できる。今回、20チャンネル回折格子型分光装置により測定した電子温度分布データに特異値分解を適用し、特異値・特異行列の特徴を調べた。その結果、電子温度の平衡成分は特異値が最も大きい特異行列でほぼ表現できることがわかった。さらに、空間的に局在した不安定性がプラズマ中に存在するデータの場合は、特定の特異行列に不安定性を表現する成分が現れ、不安定性の分離が可能であることがわかった。また、特異値の小さい特異行列はノイズ成分を構成していると考えられるが、実際、特異値の大きい項のみ取り出すことによりS/N比を改善することができた。このことは特異値分解により、データセットのノイズ除去とともにデータ圧縮もできることを示唆している。

口頭

Simulations of toroidal rotation due to the neoclassical toroidal viscosity in tokamaks

本多 充; 佐竹 真介*; 鈴木 康浩*; 松永 剛; 井手 俊介; 吉田 麻衣子; 林 伸彦

no journal, , 

For simulations of toroidal rotation driven by the neoclassical toroidal viscosity (NTV), the framework of the collaborative execution of the integrated code TOPICS with the 3D equilibrium code VMEC and the 3D neoclassical transport code FORTEC-3D has been developed. In tokamaks, toroidally-asymmetric components of the magnetic field exist and they produce the NTV. The NTV damps or sometimes accelerates toroidal rotation towards a certain rotation level, called the offset rotation. The effects of the NTV on toroidal rotation has been investigated in JT-60SA plasmas. The simulations show that even the smaller ripple amplitude produces a non-negligible amount of the NTV torque that is almost comparable to the NBI torque and significantly alters the resultant toroidal rotation profiles.

口頭

Experimental analyses and predictive simulations of toroidal rotation driven by the neoclassical toroidal viscosity in tokamaks

本多 充; 佐竹 真介*; 鈴木 康浩*; 松永 剛; 篠原 孝司; 井手 俊介; 吉田 麻衣子; 浦野 創; 林 伸彦

no journal, , 

For simulations of toroidal rotation driven by the neoclassical toroidal viscosity (NTV), the framework of the collaborative execution of the integrated code TOPICS with the 3D equilibrium code VMEC and the 3D neoclassical transport code FORTEC-3D has been developed and improved. In tokamaks, toroidally-asymmetric components of the magnetic field exist and they produce the NTV, which generally slows down toroidal rotation. In JT-60SA H-mode plasmas, somewhat significant impact of the NTV on toroidal rotation is observed and the reversal of the NTV due to the change in the sign of the radial electric field $$E_r$$ is found in the pedestal. Our framework has been applied to JT-60U analyses. The NTV scales as the perturbed magnetic field strength and the peak of the NTV coincides with the location where $$E_r=0$$. The NTV torque is found to be imperative for explaining edge rotation.

口頭

JT-60Uにおける新古典トロイダル粘性の影響

本多 充; 佐竹 真介*; 鈴木 康浩*; 松永 剛; 篠原 孝司; 吉田 麻衣子; 浦野 創; 井手 俊介; 林 伸彦

no journal, , 

For simulations of toroidal rotation driven by the neoclassical toroidal viscosity (NTV), the cooperation framework among the integrated transport code TOPICS, the 3D equilibrium code VMEC and the 3D neoclassical transport code FORTEC-3D has been developed. In tokamaks, the toroidally-asymmetric magnetic field perturbatively exist and give rise to the NTV torque, which generally slows down toroidal rotation to. Our framework has been applied to analyses of JT-60U plasmas, which had had large toroidal-field (TF) ripple amplitude due to circular TF coils and the amplitude was reduced by half after ferritic insertion. It has been found that the NTV scales as the perturbed field strength and the NTV peak coincides with the location where $$E_r=0$$. We have better agreement between measurements and simulations in terms of toroidal rotation compared to the cases without the NTV. The results indicate that the NTV torque takes part in one of the key physics that can explain edge rotation.

口頭

Experimental analyses of toroidal rotation driven by the neoclassical toroidal viscosity in rippled tokamaks

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

no journal, , 

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.

口頭

Experimental analyses of toroidal rotation driven by the neoclassical toroidal viscosity in JT-60U

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

no journal, , 

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 in JT-60U 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.

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