2002-07-31
核燃焼プラズマ統合コード 準備会
核融合科学研究所

核燃焼プラズマ統合コード ：米国・日本の状況と提案

京大原子核 福山 淳
九大応力研 矢木雅敏

核燃焼プラズマ解析の現状
米国：Fusion Simulation Project
統合コード の可能性

核燃焼プラズマの解析• 実験◦ 測定技術の進歩：高い空間分解能，高い時間分解能．プラズマ中電磁界測定◦ 大型プラズマ実験：経費の増大，ショット 数の減少
◦ ITER 核燃焼プラズマ：約 10 年後• 理論◦ 非線形現象・乱流現象の解明• シミュレーション◦ 計算資源の指数的増大，計算手法の発展，ネット ワークの高速・大容量化◦ 個々のプラズマ現象：さまざまなコード による詳細な解析◦ プラズマ全体：単一コード による記述は当面困難◦ 核燃焼プラズマ全体の時間発展シミュレーション：必要性，現実性

米国の状況
• DOE/Office of Science/Office of Fusion Energy Science• FESAC (Fusion Energy Science Advisory Committee)• ISOFS (Integrated Simulation and Optimization of Fusion Systems Subcommittee)◦ 02/22: Charge to FESAC◦ 05/23: Presentation by simulation groups◦ 07/12: First Report of Fusion Simulation Project— 核燃焼プラズマの完全に予測的なシミュレーションと最適化が必要— ト ロイダル磁気核融合装置における放電プラズマの振る舞いを，関連するすべての時間・空間尺度にわたって正確に予言するという目標に向かって，５年以内に大きく前進する．
・課題解決（ 核融合科学，応用数学，計算機科学）
・モジュール開発（拡張ＭＨＤ，乱流輸送，プラズマ端部，外部源，可視化）・システム統合— 提案：FY04-08, 20M$/FY◦ 09/17-18: Fusion Simulation Project Workshop

• SciDAC (2001-2005) (∼60M$/FY)◦ 先進科学計算，基礎エネルギー科学，生体・環境，核融合エネルギー科学，高エネルギー・核物理• 核融合エネルギー科学 (∼5M$/FY)◦ 解析ツールの共同利用：実験データ解析・可視化・ネット ワーク(NFC: National Fusion Collaboratory)◦ 多次元系における波ープラズマ相互作用◦ 磁気リコネクション◦ 電磁流体モデリングの拡張◦ 微視的プラズマ乱流◦ 周辺プラズマにおける原子物理• 輸送コード 協力 (NTCC: National Transport Code Collaboration)◦ モジュール・ライブラリ，実験データベース・アクセス，ウェブでの実行

Major U.S. Toroidal Physics Design and Analysis Codes (TOPDAC*)
Nonlinear Gyrokinetic
Continuum
globalFlux tube

GYRO

GS2
Flux tube

GTC

SUMMIT

Ideal

VALEN

Free Boundary
Equilibrium
EFIT

TEQ
TSCEQ

CQL3D

MHD- + particles

Non-Ideal

low-n

FP-CodeAntenna

Linear Stability

VACUUM

Particle-in-cell
globalVacuum &Conductors

high-n

low-n

low-n

high-nPEST-I,II BALLOON PEST-III

NOVA-K

HINST

NOVA

CAMINO

ORBIT

DCON

BALOOOGATO

intermediate-n

MARS

Linear high-n
gyrokinetic

FULL

ELITE

RANT3DRF Heating& CD
AORSA

TORCH

ORION

LSC

TORIC

TORAY

METS

CURRAY

2D transport
TSC

InverseEquilibrium 3D Nonlinear MHD

TRANSPJSOLVER

WHIST

TOQ

ONETWOESC

CORSICA

Plasma Edge
2D plasmaneutrals

Static Time -Dependent
PIES
M3D

B2DEGASVMEC

NIMRODUEDGE

EIRENEFAR

3D plasma

VMEC2DBOUT

POLAR2DBALDURCORSICA

denotes parallel MPI code

*see w3.pppl.gov/TOPDAC

Typical Time Scales in a next step experimentwith B = 10 T, R = 2 m, ne = 1014 cm-3, T = 10 keV
SAWTOOTH CRASHELECTRON TRANSITΩce-1 ω LH
Ωci-1
10-10
10-8

ENERGY CONFINEMENTTURBULENCE

τA-1

10-6

ISLAND GROWTH

10-4

r

10-2

CURRENT DIFFUSION

100

r

102

104 SEC.

r

Single frequency
average over 1 ∂E
integrate over 1 ∂E
integrate over1 ∂E
and prescribedgyroangle,
velocity space, c2 ∂tvelocity space,c 2 ∂tc 2 ∂t
plasma background (some) with electrons neglect electron inertia average over surfaces,neglect ion & e- inertia
RF CodesGyrokinetics Codes
Extended MHD Codes Transport Codes
wave-heating andcurrent-drive

turbulent transport(Batchelor)(Nevins)

device scale stability

discharge time-scale(Schnack)(Kritz)S.Jardin
11/27/95

ト カマク輸送コード• ITPA (International Tokamak Physics Activity)◦ ITER Physics R&D (CDA): Profile DB, Transport Modeling◦ ITER Physics R&D (Extended CDA): w/o US◦ ITPA (CTA, Construction):— Profile DB: Public (1998), Closed (WG member)— Transport Modelling, Transport Barrier— Steady-Stae Operation Scenario• 国内◦ 天野・岡本コード ：NIFS, 小川◦ TOPICS：原研◦ TASK：京大原子核原研におけるTOPICS関連解析コード

平成14年7月31日、原研

輸送解析コード：TOPICS 、1.5D定常・非定常輸送解析コード
TOPICSと結合されているコード：
2D平衡コード、1Ｄ輸送コード、
加熱コード：ECH/ECCD、LH(△)、IC(△)
MHD安定性コード：バルーニング、メルシエ、テアリング
TOPICSと弱く結合されているコード：
OFMCコード：NBIのdeposition 、リップル損失
理想MHD安定性コード：ERATOｰJ
抵抗性MHD安定性コード：
ダイバータコード：5点簡易モデルコード、SONIC（ダイバータ流体、中性粒子・不純物モンテカルロ）
電流駆動解析コード：ACCOMETOPICSと結合されていない主なコード（NEXT研究関連）：
乱流輸送ジャイロ粒子・流体コード
MHD粒子・流体コード
ダイバータ粒子コードTASK code system• Transport Analyzing System for tokamaK: 京大原子核• Components◦ EQ：固定境界平衡解析（ト ロイダル回転効果）◦ TR：１次元輸送解析（ 拡散型輸送方程式）◦ WR：幾何光学波動伝播解析（ EC, LH: ビーム追跡法）◦ WM：波動光学波動伝播解析（ IC, AW: 固有モード ）◦ FP：速度分布解析（ 相対論的，軌道平均，３次元）◦ DP：波動分散解析（ 各種速度分布）• under developement◦ 自由境界平衡解析◦ 流体型輸送解析◦ ２次元輸送解析◦ 運動論的線形安定性解析

提案：磁気核融合プラズマ統合コード• 平衡・輸送コード を中心にした磁気核融合プラズマ時間発展解析コード◦ コアコード の公開（どこまでがコアか？ ）◦ インターフェースの公開（データ，プログラム，ファイル等）◦ 利用法の公開（マニュアル，実験との比較，データ可視化）• 多方面との協力◦ 理論解析との協力：新しい理論の取り込み，Critical issues◦ 実験解析との協力：実験データの取り込み，使いやすい利用環境◦ 計算科学との協力：数値計算法，並列化，ネット ワーク化
• 実施体制◦ 当面はボランティア◦ ITPA, 核融合研共同研究，原研協同研究◦ 科研・特定領域研究：会合費，設備，人件費◦ 日米協力