The goal of magnetic confinement fusion research is to produce an economically viable power reactor. This will require operation at finite plasma β, where for instance fast particle transport by Alfvén eigenmodes may become important. The density and energy of fast particles originating from heating and fusion will also be higher. Low frequency Alfvénic modes can be destabilised by fast particles, with velocities comparable to the Alfvén velocity, resulting in significant reduction of fast particle confinement. To properly predict and manipulate this behaviour in current and future fusion devices, the numerical simulation of fast particle interaction with Alfvén modes is necessary. Since these simulations are computationally demanding, it is desirable to use the simplest model capable of simulating a given phenomenon. Comparing a case with different physical models also permits the isolation of physics effects responsible for certain phenomena. In this paper we present a hierarchy of such numerical models and investigate their ranges of validity.
磁場閉じ込め核融合研究の目標は、経済的に成立可能な動力炉を実現することである。これには有限のプラズマβでの運転が必要であり、例えばアルヴェン固有モードによる高速粒子輸送が重要となる可能性がある。また、加熱および核融合反応に由来する高速粒子の密度とエネルギーもより高くなる。低周波のアルヴェン不安定性は、アルヴェン速度に匹敵する速度を持つ高速粒子によって不安定化され得る。その結果、高速粒子の閉じ込めが著しく低下する可能性がある。現在および将来の核融合装置においてこのような挙動を適切に予測し制御するためには、高速粒子とアルヴェンモードの相互作用に関する数値シミュレーションが必要である。これらのシミュレーションは計算コストが高いため、対象とする現象を再現できる最も単純なモデルを用いることが望ましい。また、異なる物理モデルを用いて同一のケースを比較することで、特定の現象の原因となる物理効果を分離することが可能となる。本論文では、このようなモデルの階層構造を提示し、それらの適用範囲を調査する。