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松岡 清吉*; 洲鎌 英雄*; 井戸村 泰宏
Physics of Plasmas, 28(6), p.064501_1 - 064501_5, 2021/06
被引用回数：4 パーセンタイル：43.17(Physics, Fluids & Plasmas)線形ランダウ衝突演算子から得られる摩擦係数と流束の関係式を再現可能な洲鎌らの改良型モデル衝突演算子を大域的full-fジャイロ運動論シミュレーションコードGT5Dに新たに実装し、トカマクにおける単一イオン種プラズマの衝突性輸送シミュレーションを幅広い衝突度領域において実施した。摩擦係数と流束の関係式において高い精度が要求される高衝突度領域において、改良型演算子が理論的な衝突性熱拡散係数を正確に再現することを検証した。さらに、改良型演算子によって全ての衝突度領域において衝突性熱拡散係数と磁力線方向流れの係数をより高い精度で得ることにより、線形ランダウ衝突演算子によって記述される衝突過程が正しく保持されていることを実証した。
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：11 パーセンタイル：54.14(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
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、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。
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：7 パーセンタイル：32.55(Physics, Fluids & Plasmas)ドリフト運動論方程式について、
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。
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：29 パーセンタイル：81.53(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.
渡邉 智彦*; 井戸村 泰宏; 前山 伸也; 仲田 資季; 洲鎌 英雄*; 沼波 政倫*; 石澤 明宏*
Journal of Physics; Conference Series, 510, p.012045_1 - 012045_11, 2014/05
被引用回数：1 パーセンタイル：49.83(Computer Science, Interdisciplinary Applications)配位空間と速度空間を含む位相空間において分布関数と電磁場の揺らぎを伴うプラズマ乱流が発展する。磁場核融合プラズマにおける分布関数の詳細構造を超並列計算機上で実行されるジャイロ運動論シミュレーションによって明らかにした。ドリフト波乱流のジャイロ運動論シミュレーションによって位相空間におけるエントロピー移送、ヘリカル磁場による帯状流の増大と輸送低減を示した。最先端の高性能数値計算をイオンスケールと電子スケールを含むマルチスケール乱流シミュレーション、および、ITER規模の大域的乱流輸送シミュレーションに適用した。
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：17 パーセンタイル：63.31(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.
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：24 パーセンタイル：72.36(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.
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 
= 2% and 
= 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 = 0 ( = 3).
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 flows determined by the ambipolarty condition for neoclassical particle fluxes.
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：34 パーセンタイル：83.78(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
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。
井戸村 泰宏; 渡邉 智彦*; 洲鎌 英雄*
AIP Conference Proceedings 1013, p.270 - 286, 2008/07
核融合プラズマ乱流の標準的な第一原理であるジャイロ運動論モデルは5次元位相空間における粒子分布の取り扱いを必要とするため、第一原理シミュレーションは困難であったが、近年の計算機技術と数値計算法の発展によって装置規模の直接乱流シミュレーションが盛んに行われるようになってきた。講義では5次元ジャイロ運動論シミュレーションの物理モデル及びシミュレーションモデルを概説する。
井戸村 泰宏; 渡邉 智彦*; 洲鎌 英雄*
Comptes Rendus Physique, 7(6), p.650 - 669, 2006/07
被引用回数：23 パーセンタイル：39.54(Astronomy & Astrophysics)3次元配位空間で記述される中性流体乱流とは対照的に、無衝突磁化プラズマ乱流は5次元位相空間におけるプラズマの簡約化運動論モデルであるジャイロ運動論モデルを用いて研究されてきた。近年の計算機技術やシミュレーションモデルの進歩により、トロイダル配位かつ実験に近いパラメータにおけるプラズマ乱流の直接数値シミュレーションが可能になった。このような運動論シミュレーションは核融合プラズマにおける乱流輸送を研究するための必要不可欠なツールとして確立してきた。本オーバービューでは、乱流核融合プラズマの運動論シミュレーションの進展をその物理モデル・数値モデル及び5次元ジャイロ運動論シミュレーションから得られた物理的発見に焦点をあてて概説する。
渡邉 智彦*; 洲鎌 英雄*; 井戸村 泰宏
プラズマ・核融合学会誌, 81(9), p.698 - 702, 2005/09
磁場核融合に向けた微視的乱流シミュレーションの展望を概説する。特に、乱流輸送のグローバルシミュレーションモデルを構築するうえで鍵となる問題、及び、多階層,多物理の問題に関する話題を議論する。
久保 博孝; 洲鎌 英雄*; 村上 匡且*; 大澤 幸治*
プラズマ・核融合学会誌, 77(12), p.1252 - 1253, 2001/12
2001年10月29日-11月2日にLong Beachで行われた米国物理学会のプラズマ物理部門の第43回年会の出席者として、その概要(会議の構成,主な発表内容など)を、磁場閉じ込め実験,磁場閉じ込め理論,慣性核融合,プラズマ基礎に分けて報告する。
仲田 資季; 渡邉 智彦*; 洲鎌 英雄*; 井戸村 泰宏
no journal, ,
Nonlinear entropy transfer processes among zonal and non-zonal modes are carefully examined for the toroidal ITG and ETG turbulence by means of the local gyrokinetic turbulence simulations. The entropy transfer from non-zonal to zonal modes is substantial in the instability-saturation phase of the ITG turbulence, while, once the strong zonal flow is generated, the entropy transfer to the zonal modes becomes quite weak in the steady state. Instead, the entropy of non-zonal modes with low radial-wavenumbers is successively transferred to the other non-zonal modes with higher radial-wavenumbers (with less contribution to the heat flux) via the triad-interaction with zonal flows. The successive entropy transfer is closely associated with the regulation of ITG-driven transport. On the other hand, in both the saturation and steady phases of the ETG turbulence, the entropy transfer processes among low-wavenumber non-zonal modes are dominant, then the higher transport level is sustained.
仲田 資季; 渡邉 智彦*; 洲鎌 英雄*; 井戸村 泰宏
no journal, ,
磁場閉じ込めプラズマ中の乱流熱輸送レベルの定量的評価において、乱流中に形成されるゾーナルフローやストリーマーといったメゾスケールの流れ構造と乱流渦との非線形相互作用過程の理解が重要な課題となる。本研究では、ジャイロ運動論的シミュレーションによって上記の非線形相互作用過程を詳細に調べ、トロイダルITGあるいはETG乱流の間の異なる揺らぎ(エントロピー)の伝達過程と熱輸送レベルとの関連を明らかにした。トロイダルITG乱流では、線形不安定性の飽和時に乱流からゾーナルフローへのエントロピー伝達が卓越し、効果的に強いゾーナルフローが形成される。そして、強いゾーナルフローを伴う定常乱流状態では、乱流からゾーナルフロー自身へのエントロピー伝達は極めて弱く、かわりに、輸送を駆動している乱流モードから小半径方向により小さなスケールを持つ乱流モードへの、ゾーナルフローを介したエントロピー伝達が卓越することが明らかになった。一方、ストリーマー構造が支配的となるトロイダルETG乱流では、不安定性の飽和時あるいは定常状態のどちらにおいても、低波数の乱流モード間でのエントロピー伝達が支配的であることが示された。
朝比 祐一; 石澤 明宏*; 渡邉 智彦*; 洲鎌 英雄*; 筒井 広明*; 飯尾 俊二*
no journal, ,
電子温度勾配(ETG)モードと捕捉電子モード(TEM)が共存する系における乱流輸送の特性をジャイロ運動論的シミュレーションによって調べた。これにより、ETG乱流がTEM駆動のゾーナルフローによって抑制されることを明らかにした。さらに、乱流抑制のメカニズムを調べるためにエントロピー移送の観点から解析を行った。これにより、捕捉電子モードからゾーナルフローへのエントロピー移送を確認した。同様に、定常状態において低い径方向波数のETGモードから高い径方向は数のETGモードへのゾーナルフローを介したエントロピーの移送を確認した。前者は、捕捉電子モードによってゾーナルフローが駆動されていることを示し、後者はTEM駆動のゾーナルフローによってETG乱流が抑制されていることを示す。
佐竹 真介*; 洲鎌 英雄*; 菅野 龍太郎*; 松岡 清吉; 井戸村 泰宏; Huang, B.*
no journal, ,
外部摂動磁場や誤差磁場によって完全な軸対称性が崩れたトカマクにおいて生じる新古典トロイダル粘性(NTV)は、摂動磁場が微弱であってもトロイダル回転分布に影響を与えるた め、その正確な評価方法が必要とされている。従来より、バウンス平均ドリフト運動論方程式を局所近似(径方向ドリフトを無視)して解析的数値的に解く手法が広く用いられてきた。しかし、近年、我々が開発した、
及びfull-
モデルに基づく大域的な運動論シミュレーションを用いた結果から、従来のバウンス平均理論モデルが予測するSuperbanana-plateau領域と呼ばれる新古典トロイダル粘性が衝突周波数に依存しない衝突周波数領域が大域的シミュレーションでは現れず、一方で、二つの大域的シミュレーションで得られるNTVの衝突周波数依存性はよく一致することが明らかになった。この、理論モデルと大域的シミュレーションの差異について、最近の研究でトロイダル歳差ドリフトの磁気シア依存性の理論モデルにおける取り扱いの不備が指摘されている。本発表では、局所近似した粒子シミュレーションを用いて、この歳差ドリフトの磁気シア依存性がNTV評価に与える影響を調べ、理論モデルと大域的シミュレーションにおけるNTV評価の不一致の原因について議論する。
