The question addressed in this paper is whether it is possible to model in a fully self-consistent way a thermal plasma ion population by a finite number of test particles of a Monte Carlo model. This Monte Carlo model for the guiding centre drift motion has been developed to study collisional ion transport in an axisymmetric tokamak equilibrium. The model calculates the drift motion of test particles interacting collisionally with ion and electron populations representing the plasma. Momentum conservation in ion–ion collisions is enforced. Calculations with the model for a JET ohmic equilibrium in limiter configuration have shown an 8% particle loss rate during an energy confinement time and a corresponding energy loss rate. To describe steady state plasmas the Monte Carlo model has been extended with a recycling scheme in order to conserve particles, momentum and energy. The recycling of a lost ion as a neutral follows a physics based model while the recycling of the lost momentum and energy is enforced by an ad hoc prescription. The test particles are intended to model the plasma they interact with. To test the self-consistency of this model, test particle profiles of density, temperature, drift velocity, heat flux, etc are accumulated by snapshot techniques during the entire motion of each test particle. Extensive calculations are made on a JET equilibrium with two sets of assumed plasma profiles, peaked and hollow. The results show that the accumulated density and temperature profiles agree approximately with the assumed plasma profiles, demonstrating a degree of self-consistency. A discussion of this result is presented. From the recycling of the lost test particle energy the recycling power function is accumulated. This function is required to maintain a steady state for the test particle population. It agrees with the corresponding function required to maintain a steady state for the plasma ion population, which is obtained from the divergence of the ion heat flux derived from the test particle heat flux. The approximate agreement of these profiles completes the self-consistency of the calculations.
本論文で扱う問いは、トカマク平衡における衝突性イオン輸送を研究するために開発されたモンテカルロ模型の有限個の試験粒子によって、熱プラズマイオン集団を完全に自己無撞着な方法でモデル化することが可能かどうかである。このモンテカルロ模型は、案内中心ドリフト運動を計算するものであり、プラズマを代表するイオンおよび電子集団と衝突的に相互作用する試験粒子の運動を計算する。イオン–イオン衝突における運動量保存は課されている。リミター配位のJETオーミック平衡に対するこの模型を用いた計算では、エネルギー閉じ込め時間中に8%の粒子損失率と、それに対応するエネルギー損失率が示された。定常状態プラズマを記述するために、モンテカルロ模型は粒子、運動量、エネルギーを保存するリサイクリングスキームによって拡張されている。失われたイオンのリサイクリングは物理モデルに基づく中性粒子として行われ、一方、失われた運動量とエネルギーのリサイクリングはアドホックな方法で課される。試験粒子は、それらが相互作用するプラズマをモデル化することを意図している。この模型の自己無撞着性を検証するために、各試験粒子の運動の全過程にわたって、スナップショット手法により密度、温度、ドリフト速度、熱流束などの試験粒子プロファイルが蓄積される。ピーク状および中空状の2組の仮定されたプラズマプロファイルに対して、JET平衡に関する大規模計算が行われる。結果は、蓄積された密度および温度プロファイルが仮定されたプラズマプロファイルと近似的に一致することを示し、ある程度の自己無撞着性を実証している。この結果に関する考察が提示される。失われた試験粒子エネルギーのリサイクリングから、リサイクリングパワー関数が蓄積される。この関数は、試験粒子集団の定常状態を維持するために必要とされる。これは、試験粒子熱流束から導出されるイオン熱流束の発散から得られる、プラズマイオン集団の定常状態を維持するために必要とされる対応する関数と一致する。これらのプロファイルの近似的な一致が、計算の自己無撞着性を完成させる。