The numerical methods used in the full particle-orbit following SPIRAL code are described and a number of physics studies performed with the code are presented to illustrate its capabilities. The SPIRAL code is a test-particle code and is a powerful numerical tool to interpret and plan fast-ion experiments in tokamaks. Gyro-orbit effects are important for fast ions in low-field machines such as NSTX and to a lesser extent in DIII-D. A number of physics studies are interlaced between the description of the code to illustrate its capabilities. Results on heat loads generated by a localized error-field on the DIII-D wall are compared with measurements. The enhanced Triton losses caused by the same localized error-field are calculated and compared with measured neutron signals. Magnetohydrodynamic (MHD) activity such as tearing modes and toroidicity-induced Alfvén eigenmodes (TAEs) have a profound effect on the fast-ion content of tokamak plasmas and SPIRAL can calculate the effects of MHD activity on the confined and lost fast-ion population as illustrated for a burst of TAE activity in NSTX. The interaction between ion cyclotron range of frequency (ICRF) heating and fast ions depends solely on the gyro-motion of the fast ions and is captured exactly in the SPIRAL code. A calculation of ICRF absorption on beam ions in ITER is presented. The effects of high harmonic fast wave heating on the beam-ion slowing-down distribution in NSTX is also studied.
数値粒子軌道追跡コードSPIRALで用いられている数値手法について述べ、本コードを用いて実施した一連の物理研究を提示してその能力を実証する。SPIRALコードは試験粒子コードであり、トカマクにおける高速イオン実験を解釈・計画するための強力な数値ツールである。ジャイロ軌道効果は、NSTXのような低磁場装置における高速イオンにとって重要であり、DIII-Dにおいてはその重要性はより低い。コードの記述の合間に、その能力を実証するための一連の物理研究を挿入する。DIII-D壁面に局所誤差磁場によって生成された熱負荷に関する結果を測定値と比較する。同じ局所誤差磁場によって引き起こされるトリトン損失の増大を計算し、測定された中性子信号と比較する。テアリングモードやトロイダル性誘起アルヴェン固有モード（TAE）などの磁気流体力学（MHD）活動は、トカマクプラズマ中の高速イオン含有量に大きな影響を及ぼす。SPIRALは、NSTXにおけるTAE活動のバーストについて示されているように、閉じ込められた高速イオン集団および損失した高速イオン集団に対するMHD活動の影響を計算できる。イオンサイクロトロン周波数帯（ICRF）加熱と高速イオンとの相互作用は、高速イオンのジャイロ運動のみに依存し、SPIRALコードにおいて正確に捕捉される。ITERにおけるビームイオンへのICRF吸収の計算を提示する。NSTXにおけるビームイオンの減速分布に対する高高調波高速波加熱の影響についても研究する。