Integrated tokamak modelling that enables the simulation of an entire discharge period is indispensable for designing advanced tokamak plasmas. For this purpose, we extend the integrated code TOPICS to make it more suitable for transient analyses in the fast-ion part. The fast-ion Fokker–Planck solver is integrated into TOPICS at the same level as the bulk transport solver so that the time evolutions of the fast ion and the bulk plasma are consistent with each other as well as with the equilibrium magnetic field. The fast-ion solver simultaneously handles neutral beam-injected ions and alpha particles. Parallelisation of the fast-ion solver in addition to its computational lightness owing to a dimensional reduction in the phase space enables transient analyses for long periods in the order of tens of seconds. The fast-ion Fokker–Planck calculation is compared and confirmed to be in good agreement with an orbit following a Monte Carlo calculation. The integrated code is applied to ramp-up simulations for JT-60SA and ITER to confirm its capability and effectiveness in transient analyses. In the integrated simulations, the coupled evolution of the fast ions, plasma profiles, and equilibrium magnetic fields are presented. In addition, the electric acceleration effect on fast ions is shown and discussed.
統合トカマクモデリングは、放電全体の期間のシミュレーションを可能にするものであり、先進トカマクプラズマの設計には不可欠である。この目的のため、我々は統合コードTOPICSを拡張し、高速イオン部分における過渡解析により適したものとした。高速イオンのフォッカー・プランクソルバーは、バルク輸送ソルバーと同レベルでTOPICSに統合され、高速イオンとバルクプラズマの時間発展が、平衡磁場と整合的に計算される。この高速イオンソルバーは、中性粒子ビーム入射イオンとアルファ粒子の両方を同時に扱う。位相空間の次元縮約による計算の軽量性に加え、高速イオンソルバーの並列化により、数十秒のオーダーの長期間にわたる過渡解析が可能となる。高速イオンのフォッカー・プランク計算は、モンテカルロ計算を用いた軌道追跡と比較され、良好な一致が確認された。統合コードはJT-60SAおよびITERの立ち上げシミュレーションに適用され、過渡解析におけるその能力と有効性が確認された。統合シミュレーションでは、高速イオン、プラズマ分布、および平衡磁場の結合した時間発展が示される。さらに、高速イオンに対する電場加速効果についても示し、考察を行う。