1 / 19

大型ヘリカル装置における実座標を用いた 粒子軌道追跡モンテカルロコードの開発

大型ヘリカル装置における実座標を用いた 粒子軌道追跡モンテカルロコードの開発. 關 良輔 , 松本 裕 , 鈴木康浩 1) , 渡邊清政 1) 北海道大学大学院工学研究科 , 1) 核融合科学研究所. はじめに. 大型ヘリカル装置（ LHD ）. NBI による加熱. 高ベータ実験（低磁場 B ax = 0.5 T ） ⇒. NBI に起因するプラズマ圧力（ビーム圧力）の同定が 高ベータプラズマでの平衡 , 安定性解析において必要. ビーム圧力の同定 ⇒ 軌道追跡が重要.

jamuna
Download Presentation

大型ヘリカル装置における実座標を用いた 粒子軌道追跡モンテカルロコードの開発

An Image/Link below is provided (as is) to download presentation Download Policy: Content on the Website is provided to you AS IS for your information and personal use and may not be sold / licensed / shared on other websites without getting consent from its author. Content is provided to you AS IS for your information and personal use only. Download presentation by click this link. While downloading, if for some reason you are not able to download a presentation, the publisher may have deleted the file from their server. During download, if you can't get a presentation, the file might be deleted by the publisher.

E N D

Presentation Transcript

  1. 大型ヘリカル装置における実座標を用いた粒子軌道追跡モンテカルロコードの開発大型ヘリカル装置における実座標を用いた粒子軌道追跡モンテカルロコードの開発 關 良輔, 松本 裕, 鈴木康浩1), 渡邊清政1) 北海道大学大学院工学研究科, 1)核融合科学研究所

  2. はじめに 大型ヘリカル装置（LHD） NBIによる加熱 高ベータ実験（低磁場Bax = 0.5 T） ⇒ NBIに起因するプラズマ圧力（ビーム圧力）の同定が 高ベータプラズマでの平衡, 安定性解析において必要 ビーム圧力の同定 ⇒ 軌道追跡が重要 LHDでは高エネルギー粒子の軌道が複雑 ⇒ 軌道追跡が特に重要 従来の高エネルギー粒子の軌道をもとにした分布関数, 圧力の解析 ・粒子の損失境界は最外殻磁気面(LCFS) 磁気座標を使用 ・ LCFSの内側のみを解析

  3. 周辺磁場領域 Re-entering LCFS はじめに（続き） 実座標を用いた粒子軌道解析 Re-entering粒子 LCFS外側の周辺磁場領域に出ても再び LCFS内部に戻ってくる粒子 ・LCFSが小さい 〇高ベータプラズマ ・周辺磁場領域が厚い ・ドリフトによるズレが大きい 〇低磁場中 ・LCFS外側に出る粒子が増加 Re-entering粒子が重要 目的 ○Re-entering粒子も考慮可能な, 実座標を用いた粒子軌道追跡に基づくモンテカルロコードの開発

  4. 開発したモンテカルロコード ○分布関数算出の流れ 個の高エネルギー粒子の案内中心を追跡 各位相空間中のmeshにおける滞在時間 を算出 熱速度の3倍以下になった粒子が緩和 エネルギー緩和, 軌道損失まで追跡 ⇒ 真空容器壁に衝突した粒子が損失 加熱入力 分布関数算出 初期エネルギー エネルギー緩和には, OFMCコードと同様の衝突オペレータを採用

  5. c: pitch angle, h: gyro-phase ○温度Tbのマクスウェル分布を持つ b種粒子に衝突したa種粒子δt秒間の速度変化 衝突オペレータ　(Plasma Phys. Control. Fusion 49 (2007) 1955) は, 以下の平均と分散を持つ正規乱数により算出 平均: , 分散: ○δt秒後の速度 , ○drift-kinetic方程式 衝突項 損失項 熱化による吸収項 高エネルギー粒子源 drift-kinetic方程式の定常解を求めるコードを作成

  6. テスト計算1（衝突オペレータのみと開発したコードの比較）テスト計算1（衝突オペレータのみと開発したコードの比較） ○使用磁場 ○粒子 陽子 ○粒子の初期エネルギー 200 keV ○初期位置 横長断面上の磁束 の磁気面上 のみ与えた ○初期ピッチ角 ○モンテカルロ粒子数 1,000 ○back ground(軽水素プラズマ) 温度 1 keV 密度 1020 m-3

  7. 衝突オペレータ テスト計算1（衝突オペレータのみと開発したコードの比較）の結果 開発したコード 速さ-分布関数 ピッチ角-分布関数 開発したコード　　　衝突オペレータのみ　 緩和時間 16.2 ms 16.2ms

  8. テスト計算2 ○使用磁場 ○粒子 陽子 ○粒子の初期エネルギー 200 keV ○初期位置 横長断面上の磁束 の磁気面上 一様に分布 ○初期ピッチ角 ○モンテカルロ粒子数 1,300 ○back ground(軽水素プラズマ) 温度 1 keV 密度 1020 m-3

  9. 磁束(位置), 速さ, ピッチ角に対する分布関数 速さ-分布関数 ピッチ角-分布関数 磁束-分布関数 磁束-分布関数 ･初期の粒子位置 でピーク ･プラズマ中心部ならびにLCFS近傍まで分布関数が到達 速さ-分布関数 ･ で分布関数がピークを持つ ･ で分布関数が０になる ⇒ の粒子を緩和と仮定 ピッチ角-分布関数 ･ と において, 分布関数が減少 ⇒ 損失領域が存在

  10. 荷電交換反応の導入 Re-entering 粒子 ⇒ 中性粒子密度の高いプラズマ周辺部を運動 Re-entering粒子には荷電交換反応の影響が大きい ○荷電交換反応のモデル化 (参考:R. J. Goldston et al., J. Comput. Phys. 46 (1981) 61) 中性粒子の密度 中を1個の荷電粒子が速度 で飛ぶとき 秒間の荷電交換反応の確率 :荷電交換反応断面積 粒子の軌道に沿って積分 まで軌道を追跡 ⇒ 荷電交換により損失 :一様乱数

  11. ○使用磁場 テスト計算3 ○粒子 　 陽子 ○粒子の初期エネルギー 200 keV ○初期位置 横長断面上の磁束 の磁気面上 一様に分布 ○初期ピッチ角 ○モンテカルロ粒子数 1,300 ○back ground(軽水素プラズマ) 温度 1 keV 密度 1020 m-3 ○中性粒子の密度(水素原子を仮定) 最外殻磁気面外側で一様と仮定 の6パターンで検証 （荷電交換なし） （LCFSを損失境界）

  12. 分布関数への荷電交換反応の影響 （荷電交換なし） (LCFSを損失境界) 磁束-分布関数 速さ-分布関数 ピッチ角-分布関数 荷電交換の分布関数への影響は ･LCFS近傍において大きい. ･初期の出発点より内側ではほとんどない ･ のピーク付近で最も大きい. ･ , , において大きい ⇒LCFS外側を通り, 閉じたドリフト面を持つ粒子に荷電交換が大きく影響

  13. まとめ LHDにおいて, 実座標を用いた 粒子軌道追跡に基づくモンテカルロコードを開発 今後の課題 ○NBIなどによって発生する高エネルギー粒子の分布関数の算出 ○NBIに起因するビーム圧力の計算 ○場のプラズマ, 中性粒子に分布を持たせる

  14. Helical Coil Magnetic Axis Magnetic Axis Field Lines Vacuum Vessel 磁場構造 LHDの磁場構造 真空磁場(b = 0.0 %) 高ベータ(b = 2.7 %)

  15. LCFS r r r r InitialPoint InitialPoint InitialPoint InitialPoint 磁力線 磁力線 磁力線 磁力線 LCFS LCFS LCFS 粒子 粒子 粒子 粒子 r r r r 磁力線 磁力線 磁力線 粒子 粒子 粒子 粒子軌道の例(B = 3 T, b = 0 %) 即損失粒子 通過粒子 カオス軌道粒子 バナナ粒子 χ = 2π/20 χ = 11π/20 χ = 7π/20 χ = 13π/20 Poincarè plot は描けない

  16. LCFS LCFS カオス 通過 即損失 バナナ R (m) LCFS LCFS R (m) 損失 粒子の軌道特性(Z = 0 m) ◎ Re-entering B = 3 T, b = 0 % B = 3 T, b = 2.7 % (pitch angle)/π (pitch angle)/π

  17. Re-entering粒子に対する荷電交換の影響 ○Protonと水素原子との荷電交換についてのみ考慮 ○水素原子はカオス磁力線領域にのみ存在 水素原子との荷電交換の断面積 荷電交換の断面積 ：断面積（cm2） ：Protonのエネルギｰ（eV） （A. C. Riviere ： NUCL. FUSION vol.11（1971） 363） 荷電交換の平均自由行程 ：密度（m-3） ：断面積（m2）,

  18. Re-entering(通過粒子) B = 0.5 T, b = 3.2 % c = 2p/20 磁力線 Initial Point 粒子 r LCFS r

  19. テスト計算1（衝突オペレータのみと開発したコードの比較）の結果テスト計算1（衝突オペレータのみと開発したコードの比較）の結果 衝突オペレータ 開発したコード 速さ-分布関数 ピッチ角-分布関数 解析解 開発したコード　　　衝突オペレータのみ　 緩和時間 16.2 ms 16.2ms

More Related