Full- gyrokinetic simulations of ohmic L-mode plasmas in linear and saturated ohmic confinement regimes

井戸村 泰宏; Dif-Pradalier, G.*; Garbet, X.*; Sarazin, Y.*; Tore Supra Teams*

Physics of Plasmas, 30(4), p.042508_1 - 042508_18, 2023/04

https://doi.org/10.1063/5.0127346

非線形大域的full-ジャイロ運動論シミュレーションを用いて、Tore Supra装置のジュール加熱Lモード放電における線形/飽和オーミック閉じ込め(LOC/SOC)領域の2時刻を解析した。トロイダルフィールド応力による早いイオン混合が炭素不純物の吐き出しを引き起こす。LOC/SOCフェーズで自発プラズマ回転が逆方向に発展し、これはLOCフェーズの捕捉電子モードとSOCフェーズのイオン温度勾配駆動モードにおけるモード非対称性の違いがもたらす分布シア応力の変化によって決まる。LOC/SOCフェーズにおいて電子と重水素イオンのエネルギー束がそれぞれ支配的になる。この2つのフェーズにおけるエネルギー閉じ込め時間の比率について実験値を再現した。

Dynamics of enhanced neoclassical particle transport of tracer impurity ions in ion temperature gradient driven turbulence

井戸村 泰宏; Obrejan, K.*; 朝比 祐一; 本多 充*

Physics of Plasmas, 28(1), p.012501_1 - 012501_11, 2021/01

https://doi.org/10.1063/5.0027484

運動論的電子,バルクイオン,低Zおよび中Zのトレーサ不純物を含む大域的full-fジャイロ運動論シミュレーションを用いてイオン温度勾配駆動(ITG)乱流におけるトレーサ不純物輸送を調べた。この結果、乱流粒子輸送に加えて、乱流輸送と新古典輸送の相乗効果による拡張新古典輸送がトレーサ不純物輸送に大きく寄与することがわかった。ITGモードのバースト的励起が電子とバルクイオンの非両極性乱流粒子束を生成し、これが両極性条件に従う径電場の速い成長をもたらす。これに伴う流の発散が磁気ドリフトによる輸送に関連する上下非対称な密度揺動を圧縮する。この密度揺動の振幅は圧縮効果と磁力線方向運動による帰還電流の競合によって決まるため、拡張新古典輸送はイオン質量に依存する。この機構は温度には働かず、粒子輸送のみを選択的に増大する。

Self-organization of zonal flows and isotropic eddies in toroidal electron temperature gradient driven turbulence

河合 智賀*; 井戸村 泰宏; 小川 雄一*; 山田 弘司*

Physics of Plasmas, 27(8), p.082302_1 - 082302_11, 2020/08

https://doi.org/10.1063/5.0015565

弱磁気シアにおける大域的ジャイロ運動論モデルに基づいてトロイダル電子温度勾配駆動(ETG)乱流を調べた。大域的分布効果のために高トロイダルモード数nのトロイダルETGモードは外側の磁気面で励起され、強い線形分散をもたらす。この結果得られる非等方な波-乱流境界とエネルギー逆カスケードが帯状流の自己組織化を生成する。これは大域的ジャイロ運動論モデル特有の機構である。この自己組織化はランダムノイズによって初期化した減衰乱流とトロイダルETG乱流の両方で確認された。また、イオン電子温度比と乱流強度が決める臨界パラメータによってこの自己組織化過程が帯状流と等方的渦を生成することも示した。

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

https://doi.org/10.1063/1.5010071

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。

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

https://doi.org/10.1063/1.5008285

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。

Impact of plasma parameter on self-organization of electron temperature gradient driven turbulence

河合 智賀*; 井戸村 泰宏; 前山 伸也*; 小川 雄一*

Physics of Plasmas, 24(4), p.042303_1 - 042303_13, 2017/04

AA2017-0111.pdf:7.14MB

https://doi.org/10.1063/1.4980005

ジャイロ運動シミュレーションとHasegawa-Mima (HM)方程式に基づいてスラブ電子温度勾配駆動(ETG)乱流の自己組織化を調べた。自己組織化乱流構造のスケールと異方性は、Rhinesスケールと、HM方程式の断熱応答項によって与えられる特徴的なスケールによって変化する。前者は線形波分散と非線形乱流カスケードの競合によって決定され、後者は乱流カスケードが妨げられるスケールとして与えられる。これらのスケールは、密度勾配、温度勾配、イオンと電子の温度比などのプラズマパラメータによって制御される。プラズマパラメータに依存して、ETG乱流は大きく異なる輸送レベルを与える等方的乱流、もしくは、帯状流のいずれかを示すことがわかった。プラズマパラメータにかかわらず変調不安定性が帯状流を励起するが、最終的な乱流構造は自己組織化過程によって決定される。

High energy photon emission from wakefields

Farinella, D. M.*; Lau, C. K.*; Zhang, X. M.*; Koga, J. K.; Taimourzadeh, S.*; Hwang, Y.*; Abazajian, K.*; Canac, N.*; 戎崎 俊一*; Taborek, P.*; et al.

Physics of Plasmas, 23(7), p.073107_1 - 073107_10, 2016/07

https://doi.org/10.1063/1.4956450

Experimental evidence has accumulated to indicate that wakefield acceleration (WFA) accompanies intense and sometimes coherent emission of radiation such as from betatron radiation. The investigation of this issue has additional impetus nowadays because we are learning (1) there is an additional acceleration process of the ponderomotive acceleration; (2) WFA may become relevant in much higher density regimes; (3) WFA has been proposed as the mechanism for extreme high energy cosmic ray acceleration and ray bursts for active galactic nuclei. These require us to closely examine the radiative mechanisms in WFA anew. We report studies of radiation from wakefield (self-injected betatron) and ponderomotive (laser field) in scalings of the frequency and intensity of the driver, as well as the plasma density.

Evolution of laser induced electromagnetic postsolitons in multi-species plasma

Liu, Y.*; Klimo, O.*; Esirkepov, T. Z.; Bulanov, S. V.; Gu, Y.*; Weber, S.*; Korn, G.*

Physics of Plasmas, 22(11), p.112302_1 - 112302_8, 2015/11

AA2015-0755.pdf:5.0MB

https://doi.org/10.1063/1.4935303

Using particle-in-cell computer simulations we have studied the electromagnetic relativistic soliton formation in the underdense multi-species plasmas irradiated by high power laser radiation. It has been shown that in a multi-species plasma the light ion acceleration is quite efficient.

An Analytic formula for the relativistic incoherent Thomson backscattering spectrum for a drifting bi-Maxwellian plasma

内藤 磨

Physics of Plasmas, 22(8), p.084505_1 - 084505_5, 2015/08

https://doi.org/10.1063/1.4928581

散乱ベクトルがドリフト方向と平行な場合の、ドリフトを持つ非等方プラズマに対する相対論的非協同トムソン後方散乱スペクトルの解析式を導出した。散乱スペクトルの形状は散乱ベクトルに垂直方向の電子温度にはあまり依存しないが、その振幅は変化する。このため、測定された温度は散乱ベクトルに平行な電子の分布を正確に表すが、垂直方向の温度が平行方向の温度よりも高い場合には電子密度を過少評価する可能性がある。ドリフトの存在により短波長側の散乱スペクトルは非常に強調されるため、この計測を核融合プラズマの局所的電子電流密度の計測に使える可能性がある。

Magnetohydrodynamic instability excited by interplay between a resistive wall mode and stable ideal magnetohydrodynamic modes in rotating tokamak plasmas

相羽 信行; 廣田 真*

Physics of Plasmas, 22(8), p.082512_1 - 082512_9, 2015/08

https://doi.org/10.1063/1.4928892

回転トカマクプラズマ中におけるMHD不安定性の励起メカニズムを数値的に発見した。このメカニズムは抵抗性壁モードと安定なMHDモードとの相互作用である。トカマクプラズマが、負磁気シアアルヴェンモードのような安定な固有モードを持つ場合、この安定なモードのドップラーシフト周波数が0に近づいた際にMHD不安定性が励起される。この不安定化は、固有モードがアルヴェン連続スペクトル中にあっても引き起こされることから、高ベータ定常トカマクプラズマを原型炉などで実現する際には、プラズマの回転周波数帯に安定な固有モードが存在しないように安全係数分布を制御することが重要であることが本研究によって明らかにされた。また、この物理メカニズムを分散関係式を用いて解析することで、回転によって不安定モードが抵抗性壁モードから安定なMHDモードに切り替わることを陽に示すことに成功した。