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論文

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

 被引用回数:3 パーセンタイル:47.07(Physics, Fluids & Plasmas)

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。

論文

Cross-scale interactions between turbulence driven by electron and ion temperature gradients via sub-ion-scale structures

前山 伸也*; 渡邉 智彦*; 井戸村 泰宏; 仲田 資季*; 石澤 明宏*; 沼波 政倫*

Nuclear Fusion, 57(6), p.066036_1 - 066036_10, 2017/05

 被引用回数:5 パーセンタイル:27.2(Physics, Fluids & Plasmas)

電子およびイオン温度勾配(ETG/ITG)モードを含むマルチスケールプラズマ乱流を電磁的ジャイロ運動論シミュレーションによって調べた。非線形モード結合の3波移行解析により、電子スケールとイオンスケールのスケール間相互作用を明らかにした。この相互作用の1つは、イオンスケール乱流による電子スケール乱流の抑制である。ここで、ITGが駆動する短波長の渦がせん断流れのように作用し、ETG乱流を抑制する。もう一つのスケール間相互作用は、電子スケール乱流の存在下でのイオンスケール乱流の増大である。これは、短波長の帯状流によって引き起こされる。この帯状流はITG乱流における運動論的通過電子の応答によって生成され、剪断によってITG乱流を抑制し、ETG乱流によって減衰される。どちらの場合も、電子スケールとイオンスケールの間のサブイオンスケールの構造が、スケール間相互作用において重要な役割を果たす。

論文

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

 パーセンタイル:100(Physics, Fluids & Plasmas)

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。

論文

Cross-scale interactions between electron and ion scale turbulence in a tokamak plasma

前山 伸也*; 井戸村 泰宏; 渡邉 智彦*; 仲田 資季*; 矢木 雅敏; 宮戸 直亮; 石澤 明宏*; 沼波 政倫*

Physical Review Letters, 114(25), p.255002_1 - 255002_5, 2015/06

 被引用回数:37 パーセンタイル:5.92(Physics, Multidisciplinary)

実イオン・電子質量比かつ実$$beta$$値のマルチスケールジャイロ運動論的乱流シミュレーションをはじめて実現した。ここで、$$beta$$値はプラズマ圧力と磁気圧の比によって与えられ、微視的不安定性に対する電磁効果を特徴付ける。電子・イオンスケールのスケール間相互作用を明らかにするために両スケールにおける数値解析を行った。実質量比のスケール分離があっても、イオンスケール乱流が電子スケールストリーマを消去し、イオンだけでなく電子の熱輸送も支配する。また、イオンスケールモードが有限$$beta$$効果によって安定化される場合には乱流輸送への電子スケールダイナミクスの寄与は無視できなくなり、イオンスケール乱流輸送を増大させることがわかった。

論文

Observation of the interaction between the geodesic acoustic mode and ambient fluctuation in the JFT-2M tokamak

井戸 毅*; 三浦 幸俊; 星野 克道; 神谷 健作; 浜田 泰司*; 西澤 章光*; 川澄 義明*; 小川 宏明; 永島 芳彦*; 篠原 孝司; et al.

Nuclear Fusion, 46(5), p.512 - 520, 2006/05

 被引用回数:75 パーセンタイル:5.17(Physics, Fluids & Plasmas)

重イオンビームプローブ(HIBP)によるポテンシャル揺動と密度揺動の同時計測により、JFT-2Mトカマクの静電揺動スペクトルと揺動粒子束を明らかにした。周波数約15kHzのコヒーレントな測地的音波モード(GAM)をLモード中に同定した。このモードはセパラトリクスから約3cm内側の位置でピークを持ち電場強度が約1.4kV/mである。算出した乱流揺動粒子束は間欠的であることがわかった。密度揺動は、広帯域にわたってGAMにより変調されており、算出した揺動粒子束もGAMの影響をうけていることがコヒーレンス解析で判明した。Hモードでは、GAMが消え、揺動,揺動粒子束も大きく減少している。算出された大きな間欠的バースト的粒子束の原因解明は今後の課題である。

論文

Bispectral analysis applied to coherent floating potential fluctuations obtained in the edge plasmas on JFT-2M

永島 芳彦*; 伊藤 公孝*; 伊藤 早苗*; 藤澤 彰英*; 星野 克道; 高瀬 雄一*; 矢木 雅敏*; 江尻 晶*; 居田 克巳*; 篠原 孝司; et al.

Plasma Physics and Controlled Fusion, 48(4), p.S1 - S15, 2006/04

 被引用回数:29 パーセンタイル:23.97(Physics, Fluids & Plasmas)

JFT-2Mトカマクのオーミック加熱プラズマの浮遊ポテンシャル揺動にバイスぺクトル解析を適用した結果について述べる。最外殻磁気面の内側で浮遊電位揺動中に帯状流の一種と考えられている測地的音波の周波数を持つコヒーレントなモードが観測された。二乗バイコヒーレンスの計算によりそのコヒーレントな揺動と背景揺動(ドリフト波乱流揺動を含むと推定)の間に有意な非線形結合が示された。全バイコヒーレンスは、コヒーレントなモードの振幅の2乗に比例していること、及びコヒーレントなモードは一定値$$pi$$のバイフェイズを持つことなどの測定結果は、長谷川-三間モデルによるドリフト波-帯状流系の理論的予測と整合することがわかった。

論文

Geodesic-acoustic-mode in JFT-2M tokamak plasmas

井戸 毅*; 三浦 幸俊; 神谷 健作; 浜田 泰司*; 星野 克道; 藤澤 彰英*; 伊藤 公孝*; 伊藤 早苗*; 西澤 章光*; 小川 宏明; et al.

Plasma Physics and Controlled Fusion, 48(4), p.S41 - S50, 2006/04

 被引用回数:100 パーセンタイル:3.04(Physics, Fluids & Plasmas)

JFT-2Mトカマクにおいて重イオンビームプローブ(HIBP)を用いてプラズマ内部における測地的音波モード(Geodesic Acoustic mode, GAM)に伴うポテンシャル揺動及び密度揺動の同時計測を行った。ポテンシャル揺動はプラズマ境界内側で極大値を持っていること,この構造内で周波数はほぼ一定であること,このモードが径方向へ伝播していること、及びGAMが背景乱流に影響を及ぼしていることなどを明らかにした。背景乱流への影響の程度は理論モデルの予測とほぼ一致していることがわかった。

論文

Global profile effects and structure formations in toroidal electron temperature gradient driven turbulence

井戸村 泰宏; 徳田 伸二; 岸本 泰明

Nuclear Fusion, 45(12), p.1571 - 1581, 2005/12

 被引用回数:31 パーセンタイル:23.39(Physics, Fluids & Plasmas)

ジャイロ運動論的グローバルトロイダルコードを用いて正磁気シア及び反転磁気シアトカマクにおけるトロイダル電子温度勾配駆動(ETG)乱流を調べた。非線形乱流状態において正磁気シア及び反転磁気シア配位におけるETG乱流は全く異なる構造形成を示す。正磁気シア配位においては、ETG乱流はバルーニング構造を示すストリーマにより支配され、電子温度$$T_e$$分布は乱流の時間スケールで急速に緩和し臨界安定状態に至る。反転磁気シア配位においては、正磁気シア領域がストリーマで特徴付けられるのに対し、負磁気シア領域では準定常な帯状流が生成される。この結果、電子熱拡散係数$$chi_e$$$$q_{min}$$面をまたがってギャップ構造を形成し、温度勾配は臨界安定より上の状態で準定常に長時間維持される。これらの結果は、正磁気シアトカマクにおける$$T_e$$分布の硬さ、及び、反転磁気シア配位における$$T_e$$輸送障壁形成の可能性を示唆している。

論文

Observation of nonlinear coupling between small-poloidal wave-number potential fluctuations and turbulent potential fluctuations in Ohmically heated plasmas in the JFT-2M tokamak

永島 芳彦*; 星野 克道; 江尻 晶*; 篠原 孝司; 高瀬 雄一*; 都筑 和泰; 上原 和也; 川島 寿人; 小川 宏明; 井戸 毅*; et al.

Physical Review Letters, 95(9), p.095002_1 - 095002_4, 2005/08

 被引用回数:93 パーセンタイル:6.37(Physics, Multidisciplinary)

JFT-2Mトカマクのオーム加熱プラズマの周辺部で、高速駆動静電プローブにより、ポテンシャル揺動スペクトルを測定した。その結果、二種類のコヒーレントな静電揺動(約1kHzと10-15kHz)を初めて見いだした。これらのモードは、最外殻磁気面の内側に存在する。このうちの高周波のモードは測地的音波(GAM)の特徴を有する。しかし低周波のモードは測地的音波かどうか不明である。バイスペクトル解析により、これらの静電揺動と背景乱流揺動にはパラメトリック変調的な非線形結合がみられることがわかった。すなわち、高周波のGAMモードや背景乱流はこの低周波のモードで変調を受けている(さらに背景乱流はGAMモードからも変調されている)ことを初めて見いだし、この低周波モード(周波数約1kHz)が非線形的に乱流輸送に影響を与えていると推定されることを初めて示した。

報告書

Global characteristics of zonal flows generated by ion temperature gradient driven turbulence in tokamak plasmas

宮戸 直亮; 岸本 泰明; Li, J.

JAERI-Research 2004-010, 18 Pages, 2004/08

JAERI-Research-2004-010.pdf:4.55MB

トカマクプラズマの閉じ込め改善には帯状流による乱流輸送の抑制が不可欠である。トカマクプラズマ中の帯状流の性質は安全係数により変わることが知られていたが、そのグローバルな変化と乱流との相互作用は調べられていなかった。グローバル電磁ランダウ流体コードを用いて、イオン系の乱流輸送を支配していると考えられるイオン温度勾配乱流とそれによって生成される帯状流との間の相互作用をプラズマ全体にわたって解析した。帯状流が静的な安全係数が低い領域では乱流は効果的に抑制される。一方、帯状流が振動する安全係数が高い領域では、帯状流のエネルギーがポロイダル非対称な圧力揺動を介して乱流に輸送されるため、乱流はあまり抑制されない。

論文

Reconstruction of wavenumber spectra of plasma turbulence in microwave reflectometry

Bruskin, L. G.*; 大山 直幸; 間瀬 淳*; 篠原 孝司; 三浦 幸俊

Plasma Physics and Controlled Fusion, 46(8), p.1313 - 1330, 2004/08

 被引用回数:11 パーセンタイル:59.1(Physics, Fluids & Plasmas)

基本的なマイクロ波反射計の信号のみを用いてプラズマ中の密度揺動の波数スペクトルを再構成する方法と実験への適用について議論した。密度揺動の強度が小さい場合には、本手法によりかなり正確に波数スペクトルの再構成が行えることがわかった。一方、揺動強度の推定ではエラーバーが40-60%程度になる。本手法をJT-60U装置のHモード周辺プラズマを測定した反射計信号に適用した結果、$$k_{theta} sim 1cm^{-1}$$にピークを持つ揺動の存在を示唆している。

論文

プラズマ・核融合シミュレーションの発展と将来への期待; 磁場閉じ込め核融合の観点から

岸本 泰明

プラズマ・核融合学会誌, 80(5), p.390 - 395, 2004/05

近年の高性能の磁場閉じ込め核融合プラズマは、プラズマ中にさまざまな構造を形成することによって達成しており、そこでは時空間スケールの異なった物理過程が複合的に寄与している。そのような複雑かつ複合的な性質を持つプラズマの理解にあたっては大規模シミュレーションに基づく研究が本質的である。本論文では、このようなプラズマの構造形成を支配する物理的な素過程を論じるとともに、幅広いダイナミックレンジを包含する将来の数値シミュレーションの展望を提案する。

論文

Underlying mechanism of numerical instability in Large-Eddy Simulation of turbulent flows

井田 真人; 谷口 伸行*

Physical Review E, 69(4), p.046701_1 - 046701_9, 2004/04

 被引用回数:1 パーセンタイル:93.21(Physics, Fluids & Plasmas)

本論文ではラージ・エディ・シミュレーション(LES)による安定かつ高精度な乱流計算の実現可能性に関するわれわれの最近の理論的研究[Ida and Taniguchi, Phys. Rev. E 68, 036705 (2003)]を拡張する。以前の論文では主流速度成分の瞬時値に関する簡単な仮定に基づき、ガウシアン・フィルターのナビエ・ストークス方程式への適用が数値的に不安定な項を発生させうることを示した。この結果は、はたして数値的に安定なサブグリッド・スケール・モデルで高精度な数値計算を成しえるのかという疑問を投げかけるものであった。本論文では速度成分の統計平均値に関する仮定に基づき、統計平均速度場中のせん断から定係数の逆拡散項が派生し、それにより時間変動成分が不安定になる場合があることを示す。この発見は壁乱流のLESで度々問題となる厄介な数値不安定を説明するものである。ここで得られた結果は、仮に乱流モデリングに何の不具合が無くとも、得られたサブグリッド・スケール・モデルはなおも不安定な性質を持ちうること、つまり、既存の複数のモデルが持つ数値不安定性は人工的な操作によって単純に取り去ってしまってよいものではなく、正確に扱うよう真剣に取り組むべきものであることを示唆している。

論文

Electromagnetic effect on turbulent transport in tokamak based on Landau fluid global simulation

宮戸 直亮; Li, J.*; 岸本 泰明

Journal of Plasma and Fusion Research SERIES, Vol.6, p.581 - 584, 2004/00

電磁的ランダウ流体モデルに基づくグローバルコードを用い、トカマクプラズマ中のイオン温度勾配駆動乱流の有限ベータでの非線形シミュレーションを行った。有限ベータ効果により線形成長率が減少するのに伴い、イオンの熱輸送も減少する。2種類の帯状流が観測された。一つは時間的にあまり変化しないもの、もう一つは時間的に振動するものである。振動する帯状流はベータによりあまり変化しないが、時間変化しない帯状流はベータの増加により弱まることがわかった。

論文

A Linear gyrokinetic model in magnetic coordinates

Jolliet, S.*; Angelino, P.*; Bottino, A.*; 井戸村 泰宏; Villard, L.*

Theory of Fusion Plasmas, ISPP21, p.345 - 351, 2004/00

グローバル粒子シミュレーションはイオン系乱流の時間発展を解析するうえで非常に有効な手法であるが、非常に計算コストが高い。このため、より洗練されたシミュレーションを実現するためには、さらにコードを最適化する必要がある。論文ではVlasov方程式を円柱座標(r,z)で解き、Poisson方程式を磁束座標(r,$$theta$$)で解くLORB5コードに関して、どちらの方程式も単一の磁束座標(s,$$theta_*$$)で取り扱うモデルを提案する。ここで、$$theta_*$$はstraight-field-lineポロイダル座標を示す。磁気軸での特異性を避ける手法、Cycloneパラメータを用いたベンチマークについても報告する。

論文

Reflectometry study of mode coupling in fusion plasma turbulence

Bruskin, L. G.; 間瀬 淳*; 大山 直幸; 篠原 孝司; 三浦 幸俊

Plasma Physics and Controlled Fusion, 45(7), p.1227 - 1245, 2003/07

 被引用回数:6 パーセンタイル:76.86(Physics, Fluids & Plasmas)

密度揺動の非線形相互作用を評価するためのミリ波反射計の適応性について理論的な考察を行った。Coherentとrandomな密度揺動を扱う二次元full-wave反射計シミュレーションによる模擬データ群を作成し、bicoherence関数を求めた。そして、プラズマ密度分布,プラズマ配位,密度揺動のスペクトルと強度の依存性について議論した。その結果、JT-60U周辺プラズマの場合、反射計を用いてcoherentモードのbicoherencyを評価するためには、coherentモードとrandomモードの振幅の比が1より大きいという条件が必要であることがわかった。また、反射層の曲率は大きい方が感度が良いこともわかった。本解析手法を実際のミリ波反射計のデータに適用し、Hモードプラズマのセパラトリックス近傍に強い非線形相互作用を持つ密度揺動が存在することが明らかになった。

論文

Measurements of density fluctuations in reflectometry of cylindrical plasmas

Bruskin, L. G.; 大山 直幸; 篠原 孝司; 三浦 幸俊; 近木 祐一郎*; 間瀬 淳*; 長谷川 真*; 花田 和明*

Review of Scientific Instruments, 74(3), p.1473 - 1476, 2003/03

 被引用回数:5 パーセンタイル:63.44(Instruments & Instrumentation)

反射計による密度揺動測定を考察するために、軸対称な密度分布を用いた、時間的に変動する二次元 full-wave方程式を解析的に扱い、マイクロ波散乱の電場を解くことに成功した。解析的モデルの結果から、プラズマ回転速度測定に用いられているドップラー反射計について考察し、ドップラーシフト測定の精度が、カットオフ層の曲率及び密度揺動のスペクトルに強く依存していることを見い出した。また、密度揺動レベルを定量的に評価する場合、密度揺動のスペクトルが前もって見積もられているときは、揺動指数と呼ばれる反射波信号のパワーに関係したパラメータで揺動強度を定量付けることが有効であると提案している。

論文

Zonal flows in gyrofluid simulations of slab electron temperature gradient turbulence

Li, J.; 岸本 泰明

Physics of Plasmas, 9(4), p.1241 - 1254, 2002/04

 被引用回数:34 パーセンタイル:23.54(Physics, Fluids & Plasmas)

帯状流はドリフト波の非線形相互作用によって生成される。三次元ジャイロ流体シミュレーションによると、静電的なスラブ電子温度勾配モードによる乱流システムにおいては、帯状流の発生は遅い過程であり、その振幅は近似的に時間に比例して増大することが明らかとなった。この場合、ETG駆動の帯状流は、背景の電子乱流輸送レベルに比べると弱く、乱流を抑制するには至らないことがわかった。この帯状流のダイナミックスが、定常状態において帯状流を考慮したシミュレーションにより解析された。

報告書

シビアアクシデントの伝熱流動現象における素過程に関する研究; 微細液滴流の挙動, 原子力基礎研究 H10-027-7 (委託研究)

片岡 勲*; 松浦 敬三*; 吉田 憲司*

JAERI-Tech 2002-015, 83 Pages, 2002/03

JAERI-Tech-2002-015.pdf:3.62MB

シビアアクシデントの伝熱流動現象の素過程としての微細液滴流の挙動を明らかにするため、液滴流,環状噴霧流についての現象のモデル化並びに数値シミュレーション手法の確立を行うとともに環状噴霧流の乱流構造についての実験的な研究を行った。液滴挙動のシミュレーションについては、まず、乱流中での液滴挙動計算手法として従来から広く用いられているEddy interaction modelに近年Grahamらが提案している渦寿命及び渦大きさに関する確率モデル及びほかの改良モデルを取り入れることより精度の高い液滴挙動解析コードを開発した。また、従来、おもに噴霧流においてのみ行われてきた液滴挙動解析を環状噴霧流も扱うことができるように、流体解析における境界条件として攪乱波を考慮した液膜の取扱、液膜からの液滴発生と乱流拡散による液膜への液滴伝達、さらに液滴の発生と伝達を考慮した液膜流量計算を同時に評価する手法を開発した。さらに液滴挙動解析のシミュレーションプログラムを複雑な幾何学的体系,初期条件,境界条件に適用し解析を行い、実際の原子炉のシビアアクシデント時解析に適用可能であることを示した。環状流,環状噴霧流における液膜流量,液膜厚さが、気相の平均速度分布,乱流速度分布に及ぼす影響についての実験的研究を行った。環状流における乱流速度分布については、気相単相流にくらべ管断面全域で大きな値を示し、液膜の存在により気相乱流は大きく増加することが明らかとなった。また気相乱流の増加の度合いは液相流量に対する気相流量の割合が多くなるに従い増加した。

論文

地球シミュレータ上の一様等方性乱流シミュレーション

横川 三津夫; 斎藤 実*; 石原 卓*; 金田 行雄*

ハイパフォーマンスコンピューティングと計算科学シンポジウム(HPCS2002)論文集, p.125 - 131, 2002/01

近年のスーパーコンピュータの発展により、ナビエ・ストークス(NS)方程式の大規模な直接数値シミュレーション(DNS)が可能となってきた。しかし、乱流現象の解明とそのモデル化のためには、さらに大規模なDNSを行う必要がある。ピーク性能40Tflop/sの分散メモリ型並列計算機である地球シミュレータを用いて、大規模なDNSを行うためのスペクトル法を用いたDNSコード${tt Trans7}$を開発し、既存コードとの比較により本コードの妥当性を検証した。格子点$$256^3$$,1APでの逐次版${tt Trans7}$の実効性能は約3.72Gflop/sが得られた。また、並列版${tt Trans7}$の実効効率は、単体ノードにおいてプロセッサ数にほぼ比例し、AP8台で7倍近い速度向上が得られた。8台のマルチノード環境では、ノード数の増加に伴い速度向上率が低下するが、格子点数$$512^3$$に対しピーク性能の25%の実効性能が得られた。

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