The neutral atoms in the plasma edge of nuclear fusion devices are typically modeled using either a fluid or kinetic approach. The kinetic approach is most accurate, but it has two main disadvantages. First, the usual solution of the high-dimensional kinetic equation using Monte Carlo techniques introduces statistical noise, which hampers the convergence of the coupled plasma-neutral model. Second, the computational time strongly increases for highly collisional regimes. For these reasons, deterministic fluid neutral models remain an attractive alternative, in particular for the highly collisional conditions where their accuracy is expected to be high. In recent years, efforts have been undertaken to improve the agreement between the fluid and kinetic approach by introducing consistent transport coefficients and consistent boundary conditions in the fluid models. In this work, these so-called advanced fluid neutral models are further enhanced by introducing different strategies to cope with the high heterogeneity of the ion-neutral collisionality encountered in realistic plasma-edge geometries, namely isotropic neutral flux limiters and an automated selection criterion for the optimal neutral boundary conditions. The validity of the resulting fluid neutral models is thoroughly assessed for various representative simulation cases with different geometries, divertor collisionalities, and wall materials, including, for the first time, simulations in a realistic ITER plasma edge geometry. Strong quantitative agreement between the fluid and kinetic models is achieved for cases with highest divertor collisionality.
核融合装置のプラズマ周辺部における中性原子は、通常、流体モデルまたは運動論モデルのいずれかを用いてモデル化される。運動論的アプローチが最も正確であるが、2つの主要な欠点がある。第一に、モンテカルロ法を用いた高次元の運動論方程式の通常の解法は統計的ノイズを導入し、結合されたプラズマ・中性粒子モデルの収束を妨げる。第二に、高衝突性の領域では計算時間が大幅に増大する。これらの理由から、決定論的な流体中性粒子モデルは、特に高い精度が期待される高衝突性条件下において、魅力的な代替手段であり続けている。近年では、流体モデルに整合的な輸送係数と整合的な境界条件を導入することにより、流体アプローチと運動論的アプローチの一致を改善する取り組みが行われてきた。本研究では、これらのいわゆる先進流体中性粒子モデルをさらに発展させ、現実的なプラズマ周辺部形状で遭遇するイオン・中性粒子衝突性の高い不均一性に対処するための異なる戦略、すなわち等方性中性粒子フラックスリミッターと最適な中性粒子境界条件の自動選択基準を導入する。得られた流体中性粒子モデルの妥当性は、異なる形状、ダイバータ衝突性、および壁材料を有する様々な代表的なシミュレーションケースについて徹底的に評価される。これには、初めての試みとして、現実的なITERプラズマ周辺部形状におけるシミュレーションも含まれる。流体モデルと運動論モデルの間の強い定量的一致は、最も高いダイバータ衝突性を有するケースにおいて達成された。