Neoclassical transport simulations with an improved model collision operator

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

https://doi.org/10.1063/5.0047204

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。

Compressing the time series of five dimensional distribution function data from gyrokinetic simulation using principal component analysis

朝比 祐一; 藤井 恵介*; Heim, D. M.*; 前山 伸也*; Garbet, X.*; Grandgirard, V.*; Sarazin, Y.*; Dif-Pradalier, G.*; 井戸村 泰宏; 矢木 雅敏*

Physics of Plasmas, 28(1), p.012304_1 - 012304_21, 2021/01

AA2020-0790.pdf:7.13MB

https://doi.org/10.1063/5.0023166

プラズマ乱流の運動論的シミュレーションによって得られた5次元分布関数の時系列データに主成分分析を適用した。これにより、3桁におよぶデータ圧縮を実現しつつ、83%の累積寄与率を保持できた。各主成分ごとの熱輸送への寄与を調べることで、雪崩的熱輸送には速度空間の共鳴構造が関連していることが明らかとなった。

Isotope and plasma size scaling in ion temperature gradient driven turbulence

井戸村 泰宏

Physics of Plasmas, 26(12), p.120703_1 - 120703_5, 2019/12

https://doi.org/10.1063/1.5133084

本論文では大域的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)乱流が支配的な水素(H)および重水素(D)のLモードプラズマにおける水素同位体と規格化ジャイロ半径の影響を示す。断熱応答電子を用いたイオン加熱数値実験では、エネルギー閉じ込め時間はBohm的なスケーリングで決まり、水素同位体質量依存性は見られない。運動論的電子を用いた電子加熱数値実験は電子からイオンへの衝突性エネルギー移行に対する同位体効果に起因する明確な同位体質量依存性を示し、約1.4倍の加熱パワー比でH, Dプラズマは同様のイオン,電子温度分布を示す。H, Dプラズマの規格化無衝突イオンジャイロ運動論方程式はが同じ場合に等価となり、ITG乱流に対する衝突効果も弱い。このため、水素同位体質量依存性は主にスケーリングと加熱源によって決まる。

Turbulent generation of poloidal asymmetries of the electric potential in a tokamak

Donnel, P.*; Garbet, X.*; Sarazin, Y.*; 朝比 祐一; Wilczynski, F.*; Caschera, E.*; Dif-Pradalier, G.*; Ghendrih, P.*; Gillot, C.*

Plasma Physics and Controlled Fusion, 61(1), p.014003_1 - 014003_11, 2019/01

https://doi.org/10.1088/1361-6587/aae4fe

流のポロイダル非対称性は新古典輸送に影響することが知られている。従来の新古典理論によると、静電ポテンシャルのポロイダル非対称性の大きさは非常に小さいと予測される。本研究では乱流による軸対称ポテンシャル生成の枠組みを提示する。帯状流,測地的音響モード、および、対流セルが単一モデルで記述される。これは準中性条件と連立したジャイロ運動論方程式を解くことによって得られる。この計算は乱流によるある特定の駆動が与えられた場合の流れの周波数スペクトルの予測計算結果をもたらす。また、中間的な周波数では主要な機構が帯状流による圧縮となるのに対し、低周波数では乱流レイノルズ応力のバルーニング構造が主要な駆動機構となることも示された。

Benchmarking of flux-driven full-F gyrokinetic simulations

朝比 祐一*; Grandgirard, V.*; 井戸村 泰宏; Garbet, X.*; Latu, G.*; Sarazin, Y.*; Dif-Pradalier, G.*; Donnel, P.*; Ehrlacher, C.*

Physics of Plasmas, 24(10), p.102515_1 - 102515_17, 2017/10

AA2017-0418.pdf:4.26MB

https://doi.org/10.1063/1.4998015

トカマクプラズマにおける熱流駆動型のイオン温度勾配乱流を計算するために2つの大域的full-Fジャイロ運動論コードのベンチマークを行う。この目的のために、full-Fジャイロ運動論方程式を現実的な熱流束固定条件で計算するセミ・ラグランジアンコードGYSELA、および、オイラーコードGT5Dを採用する。時空間特性に注目して雪崩的な輸送現象を評価した。自己組織化臨界現象(SOC)的な振舞いを議論するために統計解析を実施し、両方のコードで高周波側でスペクトルからスペクトルへの遷移を確認した。このベンチマークに基づき、SOC的な振舞いは数値計算法に依存しないロバーストな特徴であることを検証した。

Toroidal angular momentum balance during rotation changes induced by electron heating modulation in tokamak plasmas

井戸村 泰宏

Physics of Plasmas, 24(8), p.080701_1 - 080701_5, 2017/08

AA2017-0264.pdf:1.52MB

https://doi.org/10.1063/1.4996017

大域的full-fジャイロ運動論モデルに基づく電子加熱変調数値実験から、電子加熱によるイオン温度勾配駆動(ITG)乱流から捕捉電子モード(TEM)乱流への遷移が密度勾配の急峻化とプラズマ回転の変化をもたらすことを示した。回転変化時のトロイダル角運動量バランスをトロイダル角運動量保存則の直接観測によって明らかにし、イオン系の乱流応力に加え、イオン系の新古典応力、径方向電流、イオン系と電子系のトロイダル電場応力が重要となることを示した。ITGフェーズとTEMフェーズにおけるトロイダルトルクの反転はイオン系方向電流の反転によるものであり、これは粒子輸送と運動量輸送の相互作用であることを明らかにした。イオン系と電子系の径方向電流は両極性条件を満たすようにバランスし、電子系の径方向電流は電子系のトロイダル電場応力によって打ち消される。これは電子系のトロイダル電場応力が間接的にトロイダルトルクに影響していることを示す。

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

https://doi.org/10.1063/1.4975611

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。

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.

Towards a novel laser-driven method of exotic nuclei extraction-acceleration for fundamental physics and technology

西内 満美子*; 榊 泰直*; Esirkepov, T. Zh.*; 西尾 勝久; Pikuz, T. A.*; Faenov, A. Ya.*; Skobelev, I. Yu.*; Orlandi, R.; Pirozhkov, A. S.*; 匂坂 明人*; et al.

Plasma Physics Reports, 42(4), p.327 - 337, 2016/04

https://doi.org/10.1134/S1063780X1604005X

ペタワットレーザーと原子核物理学の技術を組み合わせることで、エキゾチック原子核の性質の測定を決定的に可能にする。数値シミュレーションとレーザー駆動実験により、我々は論文、西内等、Phys. Plasmas 22, 033107 (2015)で提案された「レーザー駆動エキゾチック核抽出-加速法」の展望について紹介する。この方法の特徴は、(1)フェムト秒ペタワットレーザーを、外部イオンビームによって破砕された原子核標的に照射し、(2)そして生成された短寿命の重エキゾチック原子核を数GeVの多価電荷としてまとめて一気に加速する、という画期的な方法である。

Ion acceleration via "nonlinear vacuum heating" by the laser pulse obliquely incident on a thin foil target

余語 覚文*; Bulanov, S. V.; 森 道昭; 小倉 浩一; Esirkepov, T. Z.; Pirozhkov, A. S.; 金崎 真聡*; 榊 泰直; 福田 祐仁; Bolton, P.; et al.

Plasma Physics and Controlled Fusion, 58(2), p.025003_1 - 025003_7, 2016/02

https://doi.org/10.1088/0741-3335/58/2/025003

The dependence of the energy of ions accelerated during the interaction of the laser pulse obliquely incident on the thin foil target on the laser polarization is studied experimentally and theoretically. We found that the ion energy being maximal for the p-polarization drastically decreases when the pulse becomes s-polarized. The experimentally found dependencies of the ion energy are explained by invoking anomalous electron heating, which results in high electrostatic potential formation at the target surface.