[論文レビュー] Electrostatic gyrokinetic simulation of global tokamak boundary plasma and the generation of nonlinear intermittent turbulence

Seung Hoe Ku, R.M. Churchill+6 more|arXiv (Cornell University)|Jan 20, 2017

Magnetic confinement fusion research被引用数 3

ひとこと要約

本稿では、トカマクの低ベータ境界プラズマをモデル化するため、XGC1コードを用いた新規な静電的ギャロアクティブラジアンシミュレーションフレームワークを提示する。スケール分離を仮定せず、ギャロアクティブラジアンイオンとドリフト・キネティック電子を組み合わせた手法を採用する。非線形で間欠的な乱流、特にブロブ型構造が磁界分離面付近およびスクラップ・オフ・レイヤーで自然に発生することが示され、エッジプラズマ物理学へのモデルの妥当性が裏付けられる。

ABSTRACT

Boundary plasma physics plays an important role in tokamak confinement, but is difficult to simulate in a gyrokinetic code due to the scale-inseparable nonlocal multi-physics in magnetic separatrix and open magnetic field geometry. Neutral particles are also an important part of the boundary plasma physics. In the present paper, noble electrostatic gyrokinetic techniques to simulate the flux-driven, low-beta electrostatic boundary plasma is reported. Gyrokinetic ions and drift-kinetic electrons are utilized without scale-separation between the neoclassical and turbulence dynamics. It is found that the nonlinear intermittent turbulence is a natural gyrokinetic phenomenon in the boundary plasma in the vicinity of the magnetic separatrix surface and in the scrape-off layer.

研究の動機と目的

• スケール分離が不可能で、非局所的かつマルチフィジックス的現象を伴う境界プラズマを高精度にシミュレートするギャロアクティブラジアンシミュレーション手法の開発。
• 既存のコア中心に特化したギャロアクティブラジアンコードの限界を克服し、磁界分離面を越えてスクラップ・オフ・レイヤーまでを含む、現実的な境界条件を備えたシミュレーションを可能にする。
• ネオクラスカルと乱流ダイナミクスの間のスケール分離を仮定せず、キネティック電子とイオンを用いてエッジプラズマをモデル化し、非マクスウェル分布を捉える。
• 境界領域における非線形で間欠的な乱流、特にブロブ構造の自発的生成を調査する。
• 実験的に観測された乱流特徴（ブロブやストリーマー）がシミュレーションで自然に出現することを示し、シミュレーションフレームワークの妥当性を検証する。

提案手法

• イオンの5次元静電的ギャロアクティブラジアンボルツマン方程式を解くためにXGC1コードを用い、計算コストを削減するためドリフト・キネティック電子を採用する。
• マーカーパarticleと位相空間グリッドを組み合わせたハイブリッド・ラグランジュアン全δfスキームを採用し、非マクスウェル分布関数を高精度に解像する。
• ラグランジュアン運動方程式を用いて、ギャロ平均電場およびイオンのギャロ中心運動を計算し、磁界曲率および並進加速度効果を含む。
• 準中性条件およびギャロ平均ポアソン方程式を解き、静電ポテンシャルを決定する。イオン密度はギャロ中心分布から導出する。
• シミュレーション領域にはXポイント幾何、磁界分離面、プラズマ軸および壁を含み、グローバル境界条件を実現する。
• サブサイクルドキネティック電子を用いて、安定性と精度を保ちながらエッジ領域における高速な電子ダイナミクスを解像する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ネオクラスカルと乱流ダイナミクスの間のスケール分離を仮定せず、磁界分離面およびスクラップ・オフ・レイヤーを含む境界プラズマ全体を正確にモデル化できるギャロアクティブラジアンシミュレーションフレームワークは構築可能か？
• RQ2 低ベータ、フラックス駆動条件下におけるキネティック電子とイオンの相互作用は、エッジプラズマで非線形で間欠的な乱流をどのように生成するか？
• RQ3 微小乱流に起因する磁界分離面付近で、ブロブ型構造がどの程度自然に発生するか？
• RQ4 ポリオイダルExB流れがエッジ領域におけるブロブ運動および輸送をどのように駆動するか？
• RQ5 乱流の強度および構造はエッジプラズマ全体でどのように変化するか、特に分離面およびスクラップ・オフ・レイヤー付近で。

主な発見

• 非線形で間欠的な乱流、特にブロブ型構造が、磁界分離面付近およびスクラップ・オフ・レイヤーで、キネティック電子を伴うギャロアクティブラジアン微小乱流の自然な結果として自発的に発生する。
• 乱流強度は分離面でピークに達し、ψn = 0.96で密度勾配が急激に強くなると同時に急激に増加を始める。
• ブロブ構造のポリオイダルサイズは約7 cm、径方向幅は1.5 cmであり、密度摂動は平衡密度の10–20%に達する。
• ブロブは約15 km/sの速度でポリオイダル方向に移動し、局所的なポリオイダルExB流れとよく一致しており、この配置ではExB流れが運動を支配していることが示唆される。
• ブロブの径方向運動はポリオイダル運動に比べて著しく小さいため、輸送は主に高ExB流れ領域におけるポリオイダル流れによって駆動されている。
• シミュレーション時間1.7 ms経過後にエッジ領域で定常状態に達し、境界層では定常状態の熱輸送が達成される。