We report results of benchmarking of core particle transport simulations by a collection of codes widely used in transport modelling of tokamak plasmas. Our analysis includes formulation of transport equations, difference between electron and ion solvers, comparison of modules of the pellet and edge gas fuelling on the ITER baseline scenario. During the first phase of benchmarking we address the particle transport effects in the stationary phase. Firstly, simulations are performed with identical sources, sinks, transport coefficients, and boundary conditions prescribed in the flattop H-mode phase. The transformation of ion particle transport equations is introduced so to directly compare their results to electron transport solvers. Secondly, the pellet fuelling models are benchmarked in various conditions to evaluate the dependency of the pellet deposition on the pellet volume, injection side, pedestal, and separatrix parameters. Thirdly, edge gas fuelling is benchmarked to assess sensitivities of source profile predictions to uncertainties in plasma conditions and detailed model assumptions. At the second phase, we address particle transport effects in the time-evolving plasma including the current ramp-up to the ramp-down phase. The ion and the electron solvers are benchmarked together. Differences between the simulation results of the solvers are investigated in terms of equilibrium, grid resolution, radial coordinate, radial grid distribution, and plasma volume evolution term. We found that the selection of the radial coordinate can yield prominent differences between the solvers mainly due to differences in the edge grid distribution. The simulations reveal that electron and ion solvers predict noticeably different density peaking for the same diffusion and pinch velocity while with the peaked profile of helium, expected in fusion reactors. The fuelling benchmarking shows that gas puffing is not efficient for core fuelling in H-modes and density control should be done by the high field side pellet injection in contrast to present machines.
我々は、トカマクプラズマの輸送モデリングで広く使用されている一連のコードによるコア粒子輸送シミュレーションのベンチマーキング結果を報告する。本解析には、輸送方程式の定式化、電子ソルバーとイオンソルバーの差異、ITER基準シナリオにおけるペレットおよび周辺部ガス入射モジュールの比較が含まれる。ベンチマーキングの第一段階では、定常位相における粒子輸送効果を扱う。まず、フラットトップHモード位相において、同一のソース、シンク、輸送係数、境界条件を指定してシミュレーションを実行する。イオン粒子輸送方程式の変換を導入し、その結果を電子輸送ソルバーと直接比較できるようにする。次に、ペレット入射モデルを様々な条件下でベンチマークし、ペレット堆積のペレット体積、入射側、ペデスタル、セパラトリックスパラメータへの依存性を評価する。第三に、周辺部ガス入射をベンチマークし、ソース分布予測のプラズマ条件および詳細なモデル仮定における不確実性に対する感度を評価する。第二段階では、電流立ち上げから立ち下げ位相を含む時間発展プラズマにおける粒子輸送効果を扱う。イオンソルバーと電子ソルバーを一緒にベンチマークする。ソルバー間のシミュレーション結果の差異を、平衡、グリッド分解能、動径座標、動径グリッド分布、プラズマ体積発展項の観点から調査する。動径座標の選択が、主にエッジグリッド分布の差異により、ソルバー間に顕著な差異をもたらし得ることが判明した。シミュレーションにより、同一の拡散係数とピンチ速度に対して、電子ソルバーとイオンソルバーは著しく異なる密度ピーキングを予測することが明らかになった。一方、核融合炉で期待されるヘリウムのピーク分布を仮定した場合も同様である。入射ベンチマーキングは、Hモードではガス入射はコアへの入射に効率的ではなく、密度制御は現行機とは対照的に高磁場側ペレット入射によって行うべきであることを示している。