[論文レビュー] Largest Particle Simulations Downgrade the Runaway Electron Risk for ITER

Jian Liu, Hong Qin+7 more|arXiv (Cornell University)|Nov 8, 2016

Magnetic confinement fusion research参考文献 1被引用数 6

ひとこと要約

本研究では、世界最大の粒子シミュレーション—Sunway TaihuLightスパコン上で6次元位相空間における10^7個のランラップ電子を用いた相対論的体積保存アルゴリズムを用いたもの—を実施し、ITERにおけるランラップ電子の閉じ込めが以前の懸念よりも良好であることを示した。最大平均エネルギーは約150 MeVに抑えられ、以前の推定値の半分未満である。この結果により、核融合炉におけるランラップ電子損傷のリスクが低下する。

ABSTRACT

Fusion energy will be the ultimate clean energy source for mankind. One of the most visible concerns of the future fusion device is the threat of deleterious runaway electrons (REs) produced during unexpected disruptions of the fusion plasma. Both efficient long-term algorithms and super-large scale computing power are necessary to reveal the complex dynamics of REs in a realistic fusion reactor. In the present study, we deploy the world's fastest supercomputer, Sunway TaihuLight, and the newly developed relativistic volume-preserving algorithm to carry out long-term particle simulations of 10^7 sampled REs in 6D phase space, which involves simulation scale of 10^18 particle-steps, the largest ever achieved in fusion research. Our simulations show that in a realistic fusion reactor, the concern of REs is not as serious as previously thought. Specifically, REs are confined much better than previously predicted and the maximum average energy is in the range of 150MeV, less than half of previous estimate.

研究の動機と目的

• ITER、主要な核融合炉設計におけるプラズマ遮断時のランラップ電子（RE）のリスクを評価すること。
• 先行理論的推定値と現実的なシミュレーション結果との間の乖離を解消し、REの閉じ込めとエネルギー増大に関する理解を深めること。
• エクサスケールのコンピューティングと高度な数値アルゴリズムを活用し、未曾有の規模と精度でREダイナミクスをシミュレートすること。
• ITERの安全性設計および運用計画のための、より信頼性の高いRE挙動の予測を提供すること。

提案手法

• 世界有数の高速スパコンであるSunway TaihuLightを用いて大規模粒子シミュレーションを実施した。
• 新開発の相対論的体積保存アルゴリズムを適用し、位相空間内での荷電粒子ダイナミクスの長期的精度を確保した。
• 10^7個のランラップ電子を、全6次元位相空間（3次元位置、3次元運動量）で10^18回の粒子ステップにわたりシミュレートした。これは核融合研究分野で最も大規模なシミュレーションである。
• 現実的な磁場配置とプラズマ状態下でのRE軌道を追跡し、閉じ込め状態とエネルギー変化を評価した。
• 長時間にわたる統合において、数値的安定性と位相空間体積の保存を確保した。これは長期的予測の正確性にとって不可欠である。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ITERにおけるプラズマ遮断時、現実的な3次元磁場配置下でランラップ電子はどのように振る舞うか？
• RQ2 ランラップ電子はどの程度プラズマ内に閉じ込められるのか。これは過去の理論的予測と比べてどう異なるか？
• RQ3 スケールの大きな核融合炉のシミュレーションで、ランラップ電子が到達する最大平均エネルギーは何か？
• RQ4 体積保存アルゴリズムの使用が、核融合プラズマにおける粒子シミュレーションの長期的精度に与える影響は何か？

主な発見

• 先行モデルが予測したよりも、現実的な条件下でランラップ電子がはるかに効果的に閉じ込められることが判明した。
• ランラップ電子の最大平均エネルギーは約150 MeVと推定され、以前の推定値の半分未満である。
• シミュレーションは10^18回の粒子ステップに達し、核融合研究分野で史上最大の粒子シミュレーションとなった。
• 相対論的体積保存アルゴリズムにより、安定的かつ高精度な長期統合が可能となり、信頼性の高い結果を得られた。
• 本結果により、ITERのファーストウォールおよびプラズマフレーミング部材へのランラップ電子損傷リスクが顕著に低下した。