[論文レビュー] Verification and validation of gyrokinetic and kinetic-MHD simulations for internal kink instability in DIII-D tokamak

G. Brochard, Jian Bao+15 more|arXiv (Cornell University)|Sep 20, 2021

Magnetic confinement fusion research参考文献 59被引用数 2

ひとこと要約

本研究では、DIII-Dトカマク放電#141216における内部キックン不安定性のギャロアクイネティクス（GTC）およびキネティック-MHD（GAM-solver, M3D-C1-K, NOVA-K, XTOR-K）シミュレーションの検証と検証を実施した。運動論的効果を抑制した場合、すべてのコードで成長率およびモード構造に優れた一致を示し、実験的不確実性内でのq=1表面位置の調整後、シミュレートされた半径方向モード構造は電子サイクロトロン放射測定と一致した。

ABSTRACT

Verification and validation of the internal kink instability in tokamak have been performed for both gyrokinetic (GTC) and kinetic-MHD codes (GAM-solver, M3D-C1-K, NOVA, XTOR-K). Using realistic magnetic geometry and plasma profiles from the same equilibrium reconstruction of the DIII-D shot #141216, these codes exhibit excellent agreement for the growth rate and mode structure of the internal kink mode when all kinetic effects are suppresed. The simulated radial mode structures agree quantitatively with the electron cyclotron emission measurement after adjusting, within the experimental uncertainty, the safety factor q=1 flux-surface location in the equilibrium reconstruction. Compressible magnetic perturbations strongly destabilize the kink, while poloidal variations of the equilibrium current density reduce the growth rate of the kink. Furthermore, kinetic effects of thermal ions are found to decrease the kink growth rate in kinetic-MHD simulations, but increase the kink growth rate in gyrokinetic simulations, due to the additional drive of the ion temperature gradient and parallel electric field. Kinetic thermal electrons are found to have negligible effects on the internal kink instability.

研究の動機と目的

• 実際のトカマク実験における電流駆動内部キックン不安定性のためのギャロアクイネティクスおよびキネティック-MHDコードの包括的検証と検証（V&V）を実施すること。
• DIII-Dショット#141216の同一平衡条件を用いて、複数のコード間での線形シミュレーション結果をベンチマークすること。
• 電子サイクロトロン放射（ECE）測定結果と照らし合わせて、シミュレートされた成長率およびモード構造の検証を行うこと。
• 圧縮性磁場パケット、磁束面内電流の変動、および熱イオン・電子の運動論的効果がキックン不安定性に与える影響を調査すること。

提案手法

• すべてのコードに同一のDIII-D放電#141216からの平衡再構築を用い、一貫した磁場幾何学およびプラズマプロファイルを確保した。
• 同一の初期条件およびモデルパラメータを用いて、すべてのコードで線形グローバルシミュレーションを実施した。
• 運動論的効果を抑制した状態で、成長率および半径方向モード構造を、同じ条件下でコード間で比較した。
• 実験的ECE測定結果に一致させるために、平衡再構築におけるq=1磁力線の半径位置を調整した。
• 物理的効果（圧縮性磁場パケット、磁束面内電流の変動、熱イオン／電子の運動論的効果）を体系的に変化させ、不安定性の成長に与える影響を分離した。
• GTC（ギャロアクイネティクス）、GAM-solver、M3D-C1-K、NOVA-K、XTOR-K（キネティック-MHD）の複数のコードを用い、それぞれ異なる数値的手法および粒子モデルを採用した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 運動論的効果を抑制した場合、ギャロアクイネティクスおよびキネティック-MHDコードは内部キックンモードの成長率およびモード構造において一貫性のある結果を示すか？
• RQ2 q=1表面位置を調整した後、シミュレートされた半径方向モード構造は、電子サイクロトロン放射測定結果とどの程度一致するか？
• RQ3 圧縮性磁場パケットは内部キックンモードの安定性にどのように影響するか？
• RQ4 平衡電流密度のポリオイド的変動はキックン成長率にどのような影響を及えるか？
• RQ5 熱イオンおよび電子の運動論的効果は、異なるシミュレーションフレームワークにおいて内部キックン成長率に定量的にどのように影響するか？

主な発見

• GTC、GAM-solver、M3D-C1-K、NOVA-K、XTOR-Kの5つのコードすべてが、運動論的効果を抑制した場合、成長率およびモード構造において優れた一致を示し、コードの一貫性が確認された。
• 実験的不確実性内でのq=1磁力線位置の調整後、シミュレートされた半径方向モード構造は、電子サイクロトロン放射測定結果と定量的に一致した。
• 圧縮性磁場パケットは内部キックンモードを強く不安定化させ、解析理論および以前のギャロアクイネティクス研究と一致した。
• 平衡電流密度のポリオイド的変動はキックン成長率を低下させ、電流プロファイルの非一様性による安定化効果を示した。
• 熱イオンの運動論的効果はキネティック-MHDシミュレーションでは成長率を低下させたが、ギャロアクイネティクスシミュレーションではイオン温度勾配および並進電場からの追加駆動により成長率を増加させた。
• 熱捕獲電子は、両方のシミュレーションフレームワークにおいて内部キックン不安定性に無視できる影響しか及えない。