A linear plasma device (LPD) module based on the 2D transport module under the BOUT++ framework is developed in this paper to simulate plasma transport in the LPD. The LPD module includes three parts, i.e. magnetic field calculation, simulation mesh generation and plasma transport setup. The magnetic field is calculated with the circular current loop using the location and current information of each coil. The mesh generation code can produce a simulation mesh for LPD by employing the magnetic field. The plasma transport model is based on the reduced Braginskii equations, which consist of the continuity equation, momentum equation, and energy equation. The fluid neutral model is applied for neutral particle simulation. Deuterium (D) and helium (He) ions and atoms can be simulated by the model. The first attempt to simulate plasma transport in the new LPD, called multiple plasma simulation linear plasma device (MPS-LD), is presented using the developed model. The D plasma transport in the MPS-LD is simulated and benchmarked against the two-point model, showing the validation of the BOUT++ simulation. The effects of radial transport on the heat load to the target are studied, which illustrates the significant impact of the radial diffusivities and on the plasma. Moreover, the He impurity injection process during the discharge is studied with emphasis on plasma–impurity interactions. The simulation results show that He injection can reduce the plasma energy load to the target significantly, and the efficiency depends on the He source density and injection velocity. The present work provides an alternative and flexible simulation tool for plasma transport in LPDs.
本論文では、BOUT++フレームワークに基づく2次元輸送モジュールを用いた線形プラズマ装置（LPD）モジュールを開発し、LPD内のプラズマ輸送をシミュレーションする。LPDモジュールは、磁場計算、シミュレーションメッシュ生成、プラズマ輸送設定の3つの部分で構成される。磁場は、各コイルの位置と電流情報を用いて円形電流ループにより計算される。メッシュ生成コードは、磁場を利用してLPD用のシミュレーションメッシュを生成できる。プラズマ輸送モデルは、連続方程式、運動量方程式、エネルギー方程式からなる簡約ブラギンスキー方程式に基づく。中性粒子シミュレーションには流体中性粒子モデルが適用される。本モデルは、重水素（D）およびヘリウム（He）のイオンと原子をシミュレーションできる。開発したモデルを用いて、新型LPDである多目的線形プラズマシミュレーション装置（MPS-LD）におけるプラズマ輸送の初期的なシミュレーションを実施した。MPS-LDにおけるDプラズマ輸送をシミュレーションし、2点モデルとのベンチマークを行い、BOUT++シミュレーションの妥当性を検証した。さらに、径方向輸送がターゲットへの熱負荷に及ぼす影響を検討し、径方向拡散係数がプラズマに与える顕著な影響を明らかにした。加えて、放電中のHe不純物注入過程を、プラズマと不純物の相互作用に着目して検討した。シミュレーション結果は、He注入がターゲットへのプラズマ熱負荷を低減できること、その効率はHe源密度と注入速度に依存することを示している。本研究は、LPDにおけるプラズマ輸送のための代替的かつ柔軟なシミュレーションツールを提供するものである。