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Global fluid simulation of plasma turbulence in stellarators with the GBS code

A.J. Coelho, J. Loizu, P. Ricci, Z. Tecchiolli2024年7月Nuclear FusionIF 3出版社

The implementation of three-dimensional magnetic fields, such as the ones of stellarators, in the GBS code (Ricci et al 2012 Plasma Phys. Control. Fusion54 124047; Giacomin et al 2022 J. Comput. Phys.464 111294) is presented, and simulation results are discussed. The geometrical operators appearing in the drif-reduced Braginskii equations evolved by GBS are expanded considering the typical parameter ordering of stellarator configurations. It turns out that most of the operators have a similar structure as the one implemented in the tokamak axisymmetric version of the code. In particular, the perpendicular laplacian only acts on the poloidal plane, which avoids the need of a three-dimensional solver for the electrostatic potential. The simulation of an island divertor stellarator is then presented, showing the derivation of the magnetic equilibrium in detail and extending the results in (Coelho et al 2022 Nucl. Fusion62 074004). Although the island magnetic field-lines divert the plasma towards the strike points of the walls, the islands do not seem to have a significant impact on the turbulence properties. The dominant mode, identified as interchange-driven, is field-aligned and breaks the stellarator toroidal symmetry. The radial and poloidal extensions of the mode are of the same order, in contrast to typical tokamak simulations. This has consequences on the poloidal dependence of turbulent transport.

日本語訳

GBSコード(Ricci et al 2012 Plasma Phys. Control. Fusion54 124047; Giacomin et al 2022 J. Comput. Phys.464 111294)への、ステラレーターのような三次元磁場の実装について提示し、シミュレーション結果を議論する。GBSによって発展させられるドリフト低減ブラギンスキー方程式に現れる幾何学的演算子を、ステラレーター配位の典型的なパラメータオーダリングを考慮して展開する。ほとんどの演算子は、コードのトカマク軸対称版に実装されているものと同様の構造を持つことがわかる。特に、垂直ラプラシアンはポロイダル平面にのみ作用するため、静電ポテンシャルに対する三次元ソルバーの必要性が回避される。次に、アイランドダイバータステラレーターのシミュレーションを提示し、磁気平衡の導出を詳細に示し、(Coelho et al 2022 Nucl. Fusion62 074004) の結果を拡張する。アイランドの磁力線はプラズマを壁のストライクポイントに向かって分流させるが、アイランドは乱流特性に有意な影響を及ぼさないように思われる。支配的なモードは、interchange駆動と同定され、磁力線に沿っており、ステラレーターのトロイダル対称性を破る。このモードの径方向およびポロイダル方向の広がりは、典型的なトカマクシミュレーションとは対照的に、同程度のオーダーである。これは乱流輸送のポロイダル依存性に影響を及ぼす。

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StellaratorPlasma turbulence

AIによる論文要約

プラズマ乱流の全球流体シミュレーション - ステラレータにおけるGBSコードの適用
JA本論文は、ステラレータ装置の運転や設計に携わる研究者や学生に有益です。プラズマ乱流の基本的理解を深めることができ、ステラレータ特有の物理過程を学ぶことができます。#プラズマ乱流 #ステラレータ #GBSコード #3次元磁場 #インターチェンジ

本論文では、ステラレータの3次元磁場をGBSコードに実装し、シミュレーション結果を示しています。ステラレータ特有の磁場構造を考慮した演算子を導入し、電位の3次元解析を回避しています。島状ダイバータステラレータのシミュレーションでは、島磁場が乱流特性に大きな影響を与えないことが示されました。乱流は主にインターチェンジ駆動型で、トーラス対称性を破る特徴を持っています。

Global fluid simulation of plasma turbulence in stellarators with the GBS code
ENThis paper should be read by fusion researchers interested in understanding plasma turbulence in stellarator configurations and the capabilities of the GBS code for simulating such complex magnetic geometries.#FusionPlasma #Stellarator #PlasmaSimulation #GBSCode #TurbulenceModeling

This paper presents the implementation of 3D magnetic fields, like those found in stellarators, in the GBS code. Simulations of an island divertor stellarator show that the islands do not significantly impact turbulence properties, with the dominant mode being interchange-driven and field-aligned. The radial and poloidal extensions of the mode are similar, unlike in tokamaks, with consequences for turbulent transport.

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