[論文レビュー] Modeling of Particle Transport, Neutrals and Radiation in Magnetically-Confined Plasmas with Aurora

F. Sciortino, T. Odstrčil+9 more|arXiv (Cornell University)|Jun 8, 2021

Magnetic confinement fusion research参考文献 31被引用数 23

ひとこと要約

Aurora は、磁気的閉じ込め融合プラズマにおける粒子輸送、中性粒子、放射のシミュレーションを目的としたオープンソースでマルチ言語対応のシミュレーションパッケージである。ADAS などのデータソースからの原子データを用いて、高パフォーマンスな 1.5D 不純物輸送シミュレーションを可能にし、重いイオンにおけるスーパー段階近似という主要な革新を実現。また、ITER のコアで電荷交換の影響が放射パワーに無視できる程度であることが検証された。

ABSTRACT

We present Aurora, an open-source package for particle transport, neutrals and radiation modeling in magnetic confinement fusion plasmas. Aurora's modern multi-language interface enables simulations of 1.5D impurity transport within high-performance computing frameworks, particularly for the inference of particle transport coefficients. A user-friendly Python library allows simple interaction with atomic rates from the Atomic Data and Atomic Structure database as well as other sources. This enables a range of radiation predictions, both for power balance and spectroscopic analysis. We discuss here the superstaging approximation for complex ions, as a way to group charge states and reduce computational cost, demonstrating its wide applicability within the Aurora forward model and beyond. Aurora also facilitates neutral particle analysis, both from experimental spectroscopic data and other simulation codes. Leveraging Aurora's capabilities to interface SOLPS-ITER results, we demonstrate that charge exchange is unlikely to affect the total radiated power from the ITER core during high performance operation. Finally, we describe the ImpRad module in the OMFIT framework, developed to enable experimental analysis and transport inferences on multiple devices using Aurora.

研究の動機と目的

• 磁気融合装置における不純物輸送、放射、中性粒子の統合的モデリングのための現代的でオープンソースのフレームワークを開発すること。
• スーパーステージ近似を用いて複雑なイオンのモデリングにおける計算コストを低減すること。
• 実験データからの輸送係数の迅速な推定を可能にする、高パフォーマンスでメモリ内でのシミュレーションを実現すること。
• SOLPS-ITER や FIDASIM といった主要な融合コード、および実験解析用の OMFIT フレームワークとの相互運用性を促進すること。
• 標準化された原子データ（ADAS など）を用いた分光解析および放射パワー予測を支援すること。

提案手法

• Aurora は、ユーザー定義または推定された輸送係数を用いて、電荷状態密度の連立偏微分方程式を解く 1.5D の前向きモデルを実装している。
• ADAS データベースやその他のソースからの原子レート係数を、自動オンライン取得またはローカルファイル入力により統合している。
• スーパーステージ近似は、複数の電荷状態をスーパーレベルにグループ化することで、放射および輸送予測の正確さを保ちつつ計算コストを低減する。
• Python ライブラリを提供し、ADF15（PECs）、ADF04（GCR）およびその他の原子データフォーマットを解析可能にし、スペクトル発光度および放射パワーの計算を可能にしている。
• KN1D や FIDASIM、SOLPS-ITER からの中性粒子データの後処理をサポートしており、電荷交換および中性ビーム解析が可能である。
• OMFIT における ImpRad モジュールは、Aurora の物理モデルとベイズ推論ツールを用いて、複数の装置にわたる輸送係数の実験的推定を可能にしている。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ITER の最後の閉じた磁力線面内における、エッジの中性粒子との電荷交換が、全放射パワーにどの程度の影響を及えるか？
• RQ2 タングステンのような重いイオンにおいて、スーパーステージ近似は放射および輸送予測においてどの程度の正確さを維持するか？
• RQ3 Aurora の 1.5D 輸送モデルは、実験データからの粒子輸送係数の効率的推定を可能にするか？
• RQ4 ADAS やその他のソースからの原子データを用いて、Aurora は実験的分光信号をどの程度正確に再現できるか？
• RQ5 Aurora のモジュラ設計およびオープンアーキテクチャは、多様な融合シミュレーションおよび解析ワークフローへの統合をどの程度支援できるか？

主な発見

• スーパーステージ近似は、タングステンのような複雑なイオンのモデリングにおいて、放射および輸送予測の正確さを保ちつつ計算コストを顕著に低減した。
• SOLPS-ITER の後処理と Aurora を組み合わせた結果、ITER コアでの高パフォーマンス運転時、エッジの中性粒子との電荷交換が全放射パワーに影響を与える可能性は低いことが示された。
• Aurora は、ディスク I/O 依存の方法と比較して 10 倍以上も高速化される、高パフォーマンスでメモリ内での 1.5D シミュレーションを可能にし、特に輸送係数の推定に顕著な利点を示した。
• OMFIT における ImpRad モジュールは、Aurora の物理モデルと統一されたモデルを用いて、複数の装置にわたる一貫性のある実験的解析と輸送係数推定を可能にした。
• Aurora は、EFIT、GACODE、SOLPS-ITER、FIDASIM、KN1D からの実験データおよびシミュレーション出力と効果的にインターフェースをとることができ、クロスコードの検証および分光解析を可能にした。
• ADAS の ADF15 および ADF04 ファイルの自動解析および補間処理をサポートしており、核融合関連イオンの発光度および冷却係数の正確な計算が可能になった。