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論文

核融合プラズマのエクサスケールシミュレーション

井戸村 泰宏; 渡邉 智彦*; 藤堂 泰*

シミュレーション, 38(2), p.79 - 86, 2019/06

次世代核融合実験炉ITERにおける炉心プラズマ性能の評価・予測、および、より高性能な炉心運転シナリオの探索に向けて、ポスト「京」をターゲットとするエクサスケール核融合プラズマシミュレーションの研究開発を推進している。本稿では、これまでに開発してきたエクサスケール計算技術や既存実験装置を対象とする実証研究の成果を紹介し、ポスト「京」における核融合プラズマシミュレーションの展望を議論する。

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

Dynamics of low-$$n$$ shear Alfv$'e$n modes driven by energetic N-NB ions in JT-60U

Bierwage, A.; 藤堂 泰*; 相羽 信行; 篠原 孝司

Nuclear Fusion, 54(10), p.104001_1 - 104001_14, 2014/10

 被引用回数:13 パーセンタイル:25.69(Physics, Fluids & Plasmas)

Dynamics of fast ions and shear Alfv$'e$n waves are simulated using MEGA, a global nonlinear hybrid code. The scenario is based on JT-60U shot E039672, driven by strong negative-ion-based neutral beams (N-NB), just before the onset of a so-called Abrupt Large Event (ALE). It is found that modes with toroidal mode numbers $$n$$ = 2, 3, 4 can be destabilized, besides the $$n$$ = 1 mode studied previously. The properties of the modes with n $$>$$ 1 are sensitive to the value of the plasma beta and the form of the fast ion distribution, so simulation conditions are set up as realistically as possible. When the fast ion drive exceeds a certain threshold, the $$n$$ = 3 mode is enhanced through a convective amplification process while following fast ions that were displaced by the field fluctuations. The fast ion transport in several cases is analyzed and implications of the results for the explanation of ALEs are discussed.

論文

Multi-phase simulation of fast ion profile flattening due to Alfv$'e$n eigenmodes in a DIII-D experiment

藤堂 泰*; Van Zeeland, M. A.*; Bierwage, A.; Heidbrink, W. W.*

Nuclear Fusion, 54(10), p.104012_1 - 104012_13, 2014/10

 被引用回数:26 パーセンタイル:8.09(Physics, Fluids & Plasmas)

The hybrid code MEGA, which simulates the interaction between fast ions and an MHD fluid, is extended with realistic beam deposition profile and collisions. It is used for multi-phase simulations, where classical simulations (fast ion source + collisions) and hybrid simulations (source + collisions + MHD) are run alternatingly. In a multi-phase simulation of DIII-D discharge 142111, it is found that the stored beam ion energy is saturated due to toroidal Alfv$'e$n eigenmodes (TAE) at a level lower than in the purely classical simulation. This is consistent with the experimental observation. After the stored fast ion energy is saturated, it is demonstrated by hybrid simulations that the fast ion spatial profile is significantly flattened due to the interaction with the multiple TAEs with amplitude $$v$$/$$v$$$$_{rm A}$$ and $$delta$$$$B$$/$$B$$ of order 10e-4. The temperature fluctuations caused by TAEs are of the order of 1% of the equilibrium temperature. This is also comparable with ECE measurements in the experiment.

論文

Multi-time-scale energetic particle dynamics in JT-60U simulated with MHD activity, sources and collisions

Bierwage, A.; 篠原 孝司; 藤堂 泰*; 矢木 雅敏

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

The global nonlinear hybrid code MEGA was extended with a fast ion source and a collision model, so that the formation of the fast ion slowing-down distribution (long time scale, 1ms-1s) and the interaction between the fast ions and MHD waves (short time scale, 0.001-1ms) can be simulated simultaneously. This self-consistent approach, without artificial interfaces, allows to simulate meso-time-scale dynamics (0.1-10ms), such as recurring bursts of MHD activity and the resulting relaxations of the fast ion distribution. When applied to a JT-60U plasma driven by 400 keV negative-ion-based neutral beams (N-NB), the code successfully reproduced experimentally observed bursts of chirping modes. Thus validated, the new multi-time-scale simulations allows for the first time to study the physics of burstiness and frequency chirping in a realistic setting, and first results are presented and discussed. The advances made constitute an important step towards predictive simulations.

論文

Role of convective amplification of $$n$$=1 energetic particle modes for N-NB ion dynamics in JT-60U

Bierwage, A.; 篠原 孝司; 相羽 信行; 藤堂 泰*

Nuclear Fusion, 53(7), p.073007_1 - 073007_12, 2013/07

 被引用回数:13 パーセンタイル:31.16(Physics, Fluids & Plasmas)

The hybrid code MEGA is used to simulate an Abrupt Large-amplitude Event (ALE) in JT-60U. The goal is to look for a threshold with respect to the fast ion beta beyond which Energetic Particle Modes (EPM) undergo convective amplification and cause significant fast ion transport. This is motivated by the hypothesis that such a threshold may work as a trigger mechanism for relaxation events, such as ALE. In order to facilitate quantitative comparisons with the experiment, a realistic geometry, bulk pressure and fast ion distribution are used. Consistently with the experiment, the simulation predicts a burst time of about 0.3 ms and peak magnetic fluctuation levels $$delta$$$$beta$$$$_{vartheta}$$/$$beta$$$$<$$10$$^{-3}$$ at the plasma boundary. As $$beta$$$$_{h0}$$ is increased, a gradual (not sharp) increase in the convective amplification of the EPM and in the convective transport is found. It is concluded that the onset of convective amplification does not suffice as a trigger mechanism for ALE.

論文

Nonlinear simulation of energetic particle modes in JT-60U

Bierwage, A.; 相羽 信行; 篠原 孝司; 藤堂 泰*; Deng, W.*; 石川 正男; 松永 剛; 矢木 雅敏

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

Energetic particle mode (EPM) dynamics are simulated using a global nonlinear hybrid code (MEGA). The scenario considered is based on JT-60U shot E039672, just before the onset of a so-called Abrupt Large Event (ALE). The simulation model is gradually extended towards a more realistic representation of the JT-60U plasma, including realistic geometry, realistic pressure, and realistic fast ion distributions. It is found that the mode structure and frequency of the EPM is very robust and can be reproduced by simple models. In contrast, accurate prediction of the growth rate, fluctuation amplitude and fast ion transport may require realistic models. The progress made - in particular, the use of realistic geometry and a realistic fast ion distribution computed by an orbit-following Monte-Carlo code - constitutes an important step forward towards predictive simulations and integrated modelling of energetic particle dynamics in burning plasmas, such as in ITER and DEMO.

論文

Nonlinear simulation of energetic particle modes in high-beta tokamak plasma

Bierwage, A.; 相羽 信行; 藤堂 泰*; Deng, W.*; 石川 正男; 松永 剛; 篠原 孝司; 矢木 雅敏

Plasma and Fusion Research (Internet), 7, p.2403081_1 - 2403081_4, 2012/07

The global hybrid code MEGA is used to study the dynamics of energetic particle modes (EPM) in parameter regimes close to the onset of ideal magnetohydrodynamic (MHD) ballooning instability. This work is motivated by observations of energetic-particle-driven modes in the wall-stabilized regime (so called EWM) in JT-60U, the physics of which have not been fully understood yet. In this study, nonlinear simulations of energetic particle modes (EPM, high frequency, 40-60 kHz) are carried out under conditions, where EWM (low frequency, 1-3 kHz) are observed. Although, EPM are unlikely to interact with EWM directly, the energetic particle transport caused by EPM may affect the total pressure profile and, hence, the stability of kink-ballooning modes, which are thought to be the fundamental modes underlying EWM. The dynamics of EPM near ideal MHD ballooning stability boundary is examined for the first time.

論文

Nonlinear hybrid simulations of energetic particle modes in realistic tokamak flux surface geometry

Bierwage, A.; 藤堂 泰*; 相羽 信行; 篠原 孝司; 石川 正男; 矢木 雅敏

Plasma and Fusion Research (Internet), 6, p.2403109_1 - 2403109_5, 2011/08

The nonlinear dynamics of energetic particles in tokamak plasmas and their interaction with MHD modes have previously been studied using models which include only the most essential ingredients in order to understand the fundamental processes. Work is now underway to carry out simulations with more detailed models in order to enhance our predictive capabilities with respect to the excitation of MHD modes and energetic particle transport, which is expected to play an important role in burning plasmas. The present work focuses on the role of the equilibrium geometry, comparing results obtained for circular and for realistic flux surface geometry. For this purpose, earlier studies of so-called Abrupt Large-amplitude Events (ALE) in JT-60U are revisited. The simulations are carried out with the hybrid code MEGA. For the simple geometry, results obtained with another hybrid code, HMGC, serve as a benchmark, which may show how the choice of the numerical implementation affects the results.

論文

ITPA会合報告,29

諫山 明彦; 榊原 悟*; 古川 勝*; 松永 剛; 山崎 耕造*; 渡邊 清政*; 井戸村 泰宏; 坂本 宜照; 田中 謙治*; 田村 直樹*; et al.

プラズマ・核融合学会誌, 86(6), p.374 - 377, 2010/06

この会合報告は、2010年春に開催された国際トカマク物理活動(ITPA)の会合報告を取りまとめたものである。取りまとめたトピカルグループは"MHD安定性","輸送と閉じ込め物理","統合運転シナリオ","ペデスタル物理"及び"高エネルギー粒子物理"の計5グループである。報告内容は、各トピカルグループの国内委員により、各会合で発表されたITER実現に向けた物理課題の解析結果や装置間比較実験報告、また次回会合までに行うべき課題などについてである。

論文

ITPA(国際トカマク物理活動)会合報告,27

長壁 正樹*; 篠原 孝司; 東井 和夫*; 藤堂 泰*; 濱松 清隆; 村上 定義*; 山本 聡*; 井戸村 泰宏; 坂本 宜照; 田中 謙治*; et al.

プラズマ・核融合学会誌, 85(12), p.839 - 842, 2009/12

この会合報告は、2009年秋に開催された国際トカマク物理活動(ITPA)の会合報告を取りまとめたものである。取りまとめたトピカルグループは"高エネルギー粒子物理","輸送と閉じこめ物理","ペデスタル物理","MHD安定性","計測"、及び"統合運転シナリオ"の計6グループである。報告内容は、各トピカルグループの国内委員により、各会合で発表されたITER実現に向けた物理課題の解析結果や装置間比較実験結果報告、また次回会合までに行うべき課題などについてである。

論文

ITPA(国際トカマク物理活動)会合報告,24

井戸村 泰宏; 吉田 麻衣子; 矢木 雅敏*; 田中 謙治*; 林 伸彦; 坂本 宜照; 田村 直樹*; 大山 直幸; 浦野 創; 相羽 信行; et al.

プラズマ・核融合学会誌, 84(12), p.952 - 955, 2008/12

2008年の秋季に、ITPAに関する6つの会合(「輸送と閉込め物理」,「周辺及びペデスタル物理」,「MHD安定性」,「統合運転シナリオ」,「高エネルギー粒子物理」,「スクレイプオフ層及びダイバータ物理」)が開催された。前回までのグループが再編成されグループ名も改称されるとともに、新議長,新副議長が就任し、各国の委員も更新された。各会合の詳細と次回会合の予定(開催日程,場所)等を報告する。

論文

Progress in the ITER physics basis, 5; Physics of energetic ions

Fasoli, A.*; Gormezano, C.*; Berk, H. L.*; Breizman, B.*; Briguglio, S.*; Darrow, D. S.*; Gorelenkov, N.*; Heidbrink, W. W.*; Jaun, A.*; Konovalov, S. V.*; et al.

Nuclear Fusion, 47(6), p.S264 - S284, 2007/06

 被引用回数:294 パーセンタイル:16.67(Physics, Fluids & Plasmas)

ITERや将来の核融合炉では高速イオンのアルファ粒子がプラズマの維持に重要な役割を果たし、高速イオンが関連した物理現象の理解は重要である。本論文では、1999年の最初の「ITER物理基盤の進展」に関するレポート以降の高速イオンが絡む高温プラズマの物理現象についての理解の進展についてまとめた。高速イオンの物理機構を理解するための高速イオン源の進展,トロイダル磁場リップルによる高速イオン閉じ込めの理解の進展,高速イオンと背景プラズマ起因MHDの相互作用の理解の進展,高速イオン起因MHDの線形安定性の理解の進展,高速イオンと高速イオン起因MHDの相互作用と非線形発展の理解の進展,高速イオン起因MHDによる高速イオンの輸送の理解の進展について、実験計測,理論,数値計算で得られた成果をまとめている。

論文

Energetic ion transport by abrupt large-amplitude event induced by negative-ion-based neutral beam injection in the JT-60U

石川 正男; 武智 学; 篠原 孝司; 草間 義紀; Cheng, C. Z.*; 松永 剛; 藤堂 泰*; Gorelenkov, N. N.*; Kramer, G. J.*; Nazikian, R. M.*; et al.

Nuclear Fusion, 45(12), p.1474 - 1480, 2005/12

 被引用回数:31 パーセンタイル:25.7(Physics, Fluids & Plasmas)

アルフベン固有モード(AE)による高エネルギーイオンの輸送を調べるために、中性子発生分布及びダイヤモンド検出器を用いた中性粒子束の測定をJT-60Uにおいて初めて行った。弱磁気シアプラズマにおいて、Abraut Large-amplitude Event(ALE)と呼ばれるバーストモードが発生した時、100-370keVの特定のエネルギー範囲の高エネルギーイオンが輸送されることが、中性粒子計測から初めて得られた。また、中性子発生分布はALEにより再分配することがわかった。これらの計測から、ALEは特定のエネルギー範囲を持つ高エネルギーイオンをプラズマ中心部から周辺部へ再分配することが詳細に示された。一方、負磁気シアプラズマではRversed-Shear-induced AE(RSAE)と呼ばれるAE、及びRSAEからTAEへの遷移を確認しており、中性子発生分布計測は、モードによる輸送はRSAEからTAEへの遷移中が最も大きいことを示唆している。

論文

Instability in the frequency range of Alfv$'e$n eigenmodes driven by negative-ion-based neutral beams in JT-60U

篠原 孝司; 石川 正男; 武智 学; 草間 義紀; 藤堂 泰*; Gorelenkov, N. N.*; Cheng, C. Z.*; 福山 淳*; Kramer, G.*; Nazikian, R. M.*; et al.

プラズマ・核融合学会誌, 81(7), p.547 - 552, 2005/07

負イオン源中性粒子ビームを用いて高速イオンの圧力の高い状態を作るとアルベン固有周波数帯にバースト状で数十ミリ秒以下の時間スケールの周波数掃引を伴った不安定性(Fast FSやALEと呼んでいる)が観測された。これらの不安定性により高速イオンの輸送が助長されていることが明らかになった。最近、自然組成ダイヤモンド検出器を用いた中性粒子束分布計測により、輸送高速イオンの共鳴的エネルギー依存性が明確に観測された。結果は輸送が、高速イオンと不安定性とが共鳴的に相互作用し、不安定性の電磁場を静的に感じて起きていることを示唆している。また、Fast FSの周波数掃引についても、粒子-MHD混成数値計算コードにより、最近、実験結果を再現する結果を得ており、波動による粒子捕捉領域の軌道周回周波数が変化することによって生じる現象であると考えられる。このような非線形現象について高速イオン圧力分布との関連について報告する。さらに、負磁気シア誘導アルベン固有モード(Reversed Shear-induced AE; RSAE)の発生をTASK/WMコードにより理論的に予測していたが、MSEによる詳細なq分布計測等を用いてJT-60においてこれを同定した。NOVA-Kコードを用いて、RSAEの安定性解析を行い、実験と数値計算の比較を報告する。

論文

Nonlocal energetic particle mode in a JT-60U plasma

藤堂 泰*; 篠原 孝司; 武智 学; 石川 正男

Physics of Plasmas, 12(1), p.012503_1 - 012503_7, 2005/01

 被引用回数:41 パーセンタイル:16.83(Physics, Fluids & Plasmas)

JT-60Uにおける高エネルギーイオン駆動不安定性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。この不安定モードはトロイダルアルヴェン固有モード(TAE)ではない。空間分布がTAEとして予想される位置と異なっており、 m/n=2/1の一つの主成分で構成されていることがその理由である。ここで、m, nはポロイダル及びトロイダルモード数である。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。

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。

論文

Energetic particle physics in JT-60U and JFT-2M

篠原 孝司; 武智 学; 石川 正男; 草間 義紀; 都筑 和泰; 浦田 一宏*; 川島 寿人; 飛田 健次; 福山 淳*; Cheng, C. Z.*; et al.

Plasma Physics and Controlled Fusion, 46(7), p.S31 - S45, 2004/07

 被引用回数:39 パーセンタイル:18.44(Physics, Fluids & Plasmas)

負磁気シア中でのアルベン固有モードの振る舞い,TAE周波数領域で発生する不安定性による高エネルギーイオンの輸送,電流ホールを有するプラズマ中での高エネルギーイオンの振る舞い,フェライト鋼による複雑トロイダル磁場リップル中での高エネルギーイオンの損失など、JT-60U及びJFT-2Mにおける最近の高エネルギー粒子物理研究の成果について報告する。

論文

会議報告; 第19回IAEA核融合エネルギー

井手 俊介; 岡田 浩之*; 平野 洋一*; 藤堂 泰*; 乗松 孝好*; 力石 浩孝*

プラズマ・核融合学会誌, 79(1), p.65 - 69, 2003/01

2002年10月14日$$sim$$19日にフランス、リヨンで開催された第19回IAEA核融合エネルギー会議の発表内容に関する報告である。本会議は二年に一度開催されるプラズマ・核融合研究における最大の国際会議である。今回は約400件の発表が行われた。それらについて、総括的な報告を(1)磁場閉じ込め(1.1; ITER関連,1.2; トカマク実験,1.3; ヘリカル系実験,1.4; その他の磁場閉じ込め実験,1.5; 磁場閉じ込め理論),(2)慣性核融合関係,(3)核融合装置工学関係にわけて行う。 井手は、1.1と1.2を担当執筆した。

口頭

JT-60Uにおける負イオン源中性粒子ビームが駆動するアルベン固有周波数帯不安定性

篠原 孝司; 石川 正男; 武智 学; 草間 義紀; 藤堂 泰*; 福山 淳*; 松永 剛; 小関 隆久

no journal, , 

燃焼プラズマでは、加熱・電流駆動の大部分を高速イオンである核融合生成物のアルファ粒子が担うが、高速イオン起因の不安定性が燃焼プラズマの性能に影響を与える可能性がある。その物理機構の理解は重要な研究課題である。発表者らは、負イオン源中性粒子ビーム(NNB)を用いて、高速イオンの接線方向の速度とアルベン速度の比や高速イオンベータ値の体積平均量といった高速イオン起因の不安定性にとって重要な物理量がITERのアルファ粒子と同等の領域で、(1)非線形な時間発展を伴うアルベン固有モード(AE)周波数帯の不安定性の研究と(2)先進運転にとって重要な負磁気シア配位でのAE周波数帯の不安定性(RSAE)の研究を世界に先駆けて行った。本発表は、プラズマ・核融合学会賞「第14回論文賞」の受賞講演である。

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