原研 NEXT 研究会
原研計算技術推進センター
2003/03/04

核燃焼プラズマ統合コード構想
福山淳（京大工）矢木雅敏（九大応力研）
準備会，インフォーマルミーティング，小研究会等に参加頂いた方々

核燃焼プラズマ統合コードとは• さまざまな考え方
実験家：実験全体を再現し予測するシミュレーションコード
理論家：新しい階層モデルを取り入れた統合コード
シミュレーション家：第１原理にもとづいてプラズマ全体を記述するコードモデリング家：新しい理論モデルを容易に検証できるコード

ITPA家：米欧に対抗できるシミュレーションコード
LHD家：ヘリカル系にも適用できるシミュレーションコード
小型装置家：容易に利用できるシミュレーションコード
計算科学家：新しい計算技法を具体的に応用したコード

今回の統合コード構想• なるべく多くの考え方を取り入れる
これから数年で成果
平衡・輸送コードをベースにした
磁気核融合プラズマ時間発展解析コード
実験データとの比較による検証
核燃焼プラズマの予測
運転シナリオの最適化

米国・欧州の状況• 米国：Fusion Simulation Project• FESAC: Fusion Energy Science Advisory Committee• ISOFS Subcommittee(Integrated Simulation & Optimization of Fusion Systems)
ISOFS Interim Report:
see http://www.isofs.info
FESAC ISOFS
Charge Letter
IssuedFeb

ISOFS
Workshopand Meeting
AprJune

ISOFS Final Report

ISOFSMeeting

ISOFS
Workshopand Meeting

AugOctSnowmass
Fusion Summer Study• 欧州：統合コードに向けて理論・シミュレーションの再編成

物理現象の時間スケール
Typical Time Scales in a next step experimentwith B = 10 T, R = 2 m, ne = 1014 cm-3, T = 10 keV
SAWTOOTH CRASHELECTRON TRANSIT

wLH-1 W -1
ci-10-81010Wce-1

TURBULENCEISLAND GROWTHtA
10-6

ENERGY CONFINEMENT

10-410-2CURRENT DIFFUSION

100102104 SEC.

Single frequency
Neglect displacement
and prescribedcurrent, average overplasma background gyroangle, (some)with electrons

Neglect displacement
current, integrate overvelocity space, neglect
electron inertia

RF Codeswave-heating andcurrent-drive

Gyrokinetics Codes

Neglect displacement
current, integrate overvelocity space, averageover surfaces, neglect
ion & electron inertia
Extended MHD Codes Transport Codes

turbulent transport

device scale stability

discharge time-scale必要な計算資源

Memory (Bytes)

1016

Burning Plasma
Integrated SimulationVirtual Disruption

1014

Virtual Edge

1012

GK Full Torus
Earth Simulator (2002)(w/ electron dynamics)
GK Full TorusNERSC (2002)(adiabatic electrons)
GK Flux TubeNERSC (1997)

1010

NERSC
(1995)

1010

1012

1014

1016

Computational Speed (Flops)

米国 FSP の主要課題
Focused Integration Initiatives are built from Fundamentals of varying
complexity with selected algorithms using interoperable software

Sources

Turbulence

X-MHD

Plasma Edge
Turbulence on Transport Timescale
Global Stability
Whole Device Modeling1 1/2 DTransportMaterials

米国 FSP のロードマップ
We expect a 15 year timeline is required to produce the FPS
FII A

FII A Phase 2

FII B

FII B/C Phase 2

FII C

FII D Phase 2

FII D

FII E

Software
Structure

Exploration ofseveral computationalframeworks selectedby the FIIs.

FIIs become moreinteroperable, someconsolidated. Perhaps
new FIIs started.

Single integrated
System drawing fromtotal FII experience.

NewCapability

Better understandingof isolated integrated
phenomena.

Wider and more indepth integration. New
physical processes added.

Full simulation of all
relevant processes infusion systems.

NormalizedIntegration
Actitvity

05 yr

Funding YearsFusion
Plasma Simulator
(FPS)

10 yr

15 yr

統合コード構想• コードの統合化- プラズマ全体を記述するコードの枠組み- 使いやすい計算コード• 新しい物理モデルの開発- 核燃焼プラズマの記述に必要な物理モデル- 異なる時間スケールをもつ現象の相互作用• 新しい計算技術の導入- 超並列分散処理- データ可視化

コードの統合化• コアコードの公開- Open source- TASK/EQ,PL,TR,DP,WR,WM,FP• モジュール間インターフェースの共通化- 仕様策定WG- TOPICS/NTCC/MDSPlus• モジュールの改良・開発- 流れ，平衡，中性粒子，不純物• 利用法の改善- マニュアル，実験との比較

TASK code system• Transport Analyzing System for tokamaK• Integrated CodeTASK/ EQ Fixed boundary equilibrium

toroidal rotation

PL Profile data interface

Exp. data, ITPA Profile DBTR Diffusive radial transportns, usφ, Ts, Bθ , Eφ

DP Wave dispersion relation

various velocity distributions

WR Ray and beam tracing

EC, LHWM 3D full wave analysis

IC, AW, eigenmodes

FP Velocity distribution analysis 3D, relativistic, bounce averaged
EX Free boundary equilibrium

Start up, Shut down

TX Fluid-like transport analysis

n, u, T , E, B, including SOL

Interaction between TASK modules• Output\Input variables
EQ

EQ—

PL p, j, uφ(ψ)
TRPL
ψ(R, Z)

TRDP—

metricn, T, uk, B(r)n, T, j, uφ, ψ(ρ)—

DP—

WRPabs(ρ)

WMPabs(ρ)

FPPabs, jCD(ρ)

WR↔

²WMFPmetricmetric↔

²—Ẽ, B̃(r)—f (vk, v⊥, ρ)Ẽ, B̃(r)—• Modules with 3D configuration for helical system: WM, WR• Modules with MPI parallelization for computer cluster: WM, FP

新しい物理モデルの開発• ＭＨＤ・輸送階層化モデル• アイランドがある場合の輸送• 流れが取り入れた平衡・輸送• ETB/SOL モデリング• 高速イオンに起因する現象• ・・・

新しい計算技術の導入• 並列化- 計算機クラスター- スーパーコンピュータ• ネットワーク化- グリッドコンピューティング- 計算機資源の有効利用• データ可視化- 並列化- 遠隔利用 (VisiGrid)- OpenGL

実施体制• さまざまな形で活動を行う•• 核融合研共同研究• 科研費（特定領域，基盤研究Ｂ）• 九大応力研研究会• 原研協同研究• 原研 NEXT 研究会• ITPA国内会合• 日米ワークショップ

活動の内容 1• Step 0- コアコードの整備（今年度中）- 全国のコード調査（今年度中）- 新しい物理課題の抽出（今年度中研究会）
統合コードに組み込めるか
流れのある輸送
MHD Event と輸送
アイランドのある輸送
高エネルギー粒子とMHD- インターフェースの議論（今年夏まで）

活動の内容 2• Step 1- インターフェースの仕様策定（今年秋）- コードの統合化- 新しいモデルの導入- 新しい計算技術の導入• Step 2- 新しいモデルの統合コードへの組み込み- 実験データとのインターフェース- 大規模数値シミュレーションとのインターフェース

統合コードへの参加• コアコードの利用- 物理モデルの検証，実験との比較- コードのベンチマークテスト- コアコードで計算された配位・分布を利用- 自分のコードをコアコードのモジュールに• 核燃焼プラズマのシミュレーションに必要な物理モデル- 物理モデルの開発- 物理モデルの検証• 新しい計算技術- 並列分散処理，データ可視化• ホームページ：http://p-grp.nucleng.kyoto-u.ac.jp/bpsi/- メイリングリスト，掲示板