[論文レビュー] MCTrans++: A 0-D Model for Centrifugal Mirrors

Nick R. Schwartz, Ian Abel+3 more|arXiv (Cornell University)|Apr 4, 2023

Magnetic confinement fusion research参考文献 34被引用数 1

ひとこと要約

MCTrans++ はメリーランド大学の中心力鏡像核融合実験（CMFX）におけるプラズマ行動を高速にシミュレートする 0D 物理モデルである。部分的にアンビポーラ的で部分的に中心力的なポテンシャルによる並進損失と、流れ剪断によって安定化された古典的垂直損失を組み合わせており、放射、中性子、および電荷交換損失も含む。このモデルは SUNDIALS ARKODE ライブラリを用いて高速なパラメータスキャンと時間依存シミュレーションを可能にし、実験的設計の検証と核融合炉規模の概念設計の支援を行う。

ABSTRACT

The centrifugal mirror confinement scheme incorporates supersonic rotation of a plasma into a magnetic mirror device. This concept has been shown experimentally to drastically decrease parallel losses and increase plasma stability as compared to prior axisymmetric mirrors. MCTrans++ is a 0D scoping tool which rapidly models experimental operating points in the Centrifugal Mirror Fusion Experiment (CMFX) at the University of Maryland. In the low-collisionality regime, parallel losses can be modeled analytically. A confining potential is set up that is partially ambipolar and partially centrifugal. Due to the stabilizing effects of flow-shear, the perpendicular losses can be modeled as classical. Radiation losses such as Bremsstrahlung and cyclotron emission are taken into account. A neutrals model is included, and, in some circumstances, charge-exchange losses are found to exceed all other loss mechanisms. We use the SUNDIALS ARKODE library to solve the underlying equations of this model; the resulting software is suitable for scanning large parameter spaces, and can also be used to model time-dependent phenomena such as a capacitive discharge. MCTrans++ has been used to verify results from prior centrifugal mirrors, create an experimental plan for CMFX, and find configurations for future reactor-scale fusion devices.

研究の動機と目的

• メリーランド大学の中心力鏡像核融合実験（CMFX）におけるプラズマ性能をシミュレートする高速でスケーラブルな 0D モデルの開発を目的とする。
• 低衝突性、超音速回転プラズマにおける並進損失と垂直損失のメカニズムを、解析的および古典的損失式を用いて正確にモデル化することを目的とする。
• 特定の条件下で支配的になる可能性がある、主な損失チャネル（放射（ブレムストラールング、サイクロトロン）、中性子、電荷交換プロセス）を組み込むことを目的とする。
• SUNDIALS ARKODE ライブラリを用いて、大規模なパrameter空間のスキャンと、コンデンサ性放電のような時間依存現象のシミュレーションを効率的に行うことを目的とする。
• CMFX の実験計画支援と、将来の炉規模の中心力鏡像核融合装置の設計に情報を提供することを目的とする。

提案手法

• 軸対称的な中心力鏡像プラズマにおけるプラズマ行動を 0D フレームワークでモデル化し、エネルギーと粒子収支に焦点を当てる。
• 径方向電場および回転プロファイルから導出される、アンビポーラ的および中心力的寄与を併せ持つ閉じ込めポテンシャルを用いて並進損失をモデル化する。
• 垂直損失を古典的とみなすが、乱流を抑制するための流れ剪断安定化を前提とし、MHD やギャロキネティック理論による安定性の妥当性を検証する。
• ブレムストラールングとサイクロトロン放射のモデルを用いて放射損失を組み込み、サイクロトロン放射の出力に対して透過率係数を導入する。
• イオン化および電荷交換プロセスを考慮する中性子モデルを統合し、特定の領域では他の損失メカニズムを上回ることが示されている。
• 微分方程式系を解くために SUNDIALS ARKODE ライブラリを採用し、時間依存シミュレーションと大規模なパrameterスキャンの両方を効率的に行う。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 中心力鏡像構成における低衝突性、超音速回転プラズマにおいて、並進損失はどのようにスケーリングするか？
• RQ2 CMFX の運用領域において、電荷交換損失は他の損失メカニズムをどれほど上回るか？
• RQ3 流れ剪断は、中心力鏡像における垂直輸送を効果的に抑制し、乱流を抑制するのにどの程度有効か？
• RQ4 放射損失（ブレムストラールングとサイクロトロン）は、エネルギー収支と閉じ込め時間の決定に果たす役割は何か？
• RQ5 実験的制約と物理的原則に基づいて、0D モデルは炉規模の中心力鏡像設計の性能を正確に予測できるか？

主な発見

• 特定の運用領域では、電荷交換損失が他のすべての損失メカニズムを上回り、プラズマ性能においてその重要性が顕著に現れた。
• モデルは、流れ剪断安定化が垂直輸送を効果的に抑制し、開かれた磁場幾何構造下でも古典的損失率に近い状態を実現できることを確認した。
• 並進損失は、アンビポーラ的および中心力的効果を併せ持つハイブリッドポテンシャルによってよく記述されており、低衝突性領域における解析的期待と整合的である。
• 特に高温領域では顕著な放射損失（特にサイクロトロン放射）が発生し、正確なエネルギー収支モデリングには不可欠である。
• SUNDIALS ARKODE 組み込みフレームワークにより、時間依存シミュレーション（コンデンサ性放電ダイナミクスを含む）が効率的に行えるようになり、実験シナリオ計画にとって不可欠となった。
• MCTrans++ は、過去の中心力鏡像実験の結果を正当化し、メリーランド大学の CMFX 設備用に検証済みの実験計画を策定するために使用された。