Neutral gas physics and neutral interactions with the plasma are key aspects of edge plasma and divertor physics in a fusion reactor including the detachment phenomenon often seen as key to dealing with the power exhaust challenges. A full physics description of the neutral gas dynamics requires a 6D kinetic approach, potentially time dependent, where the details of the wall geometry play a substantial role, to the extent that, e.g., the subdivertor region has to be included. The Monte Carlo (MC) approach used for about 30 years in EIRENE (Reiter et al 2005 Fusion Sci. Technol.47 172–86), is well suited to solve these types of complex problems. Indeed, the MC approach allows simulating the 6D kinetic equation without having to store the velocity distribution on a 6D grid, at the cost of introducing statistical noise. MC also provides very good flexibility in terms of geometry and atomic and molecular (A&M) processes. However, it becomes computationally extremely demanding in high-collisional regions (HCRs) as anticipated in ITER and DEMO. Parallelization on particles helps reducing the simulation wall clock time, but to provide speed-up in situations where single trajectories potentially involve a very large number of A&M events, it is important to derive a hierarchy of models in terms of accuracy and to clearly identify for what type of physics issues they provide reliable answers. It was demonstrated that advanced fluid neutral models are very accurate in HCRs, and at least an order of magnitude faster than fully kinetic simulations. Based on these fluid models, three hybrid fluid–kinetic approaches are introduced: a spatially hybrid technique, a micro–macro hybrid method, and an asymptotic-preserving MC scheme, to combine the efficiency of a fluid model with the accuracy of a kinetic description. In addition, A&M ions involved in the edge plasma chemistry can also be treated kinetically within the MC solver, opening the way for further hybridisation by enabling kinetic impurity ion transport calculations. This paper aims to give an overview of methods mentioned and suggests the most prospective combinations to be developed.
中性ガス物理およびプラズマとの中性粒子の相互作用は、核融合炉における周辺プラズマおよびダイバータ物理の重要な側面であり、パワー排気の課題への対処としてしばしば重要視されるデタッチメント現象も含まれる。中性ガス力学の完全な物理記述には、6次元の運動論的アプローチが必要であり、場合によっては時間依存性も伴い、そこでは壁形状の詳細が重要な役割を果たすため、例えばサブダイバータ領域も含める必要がある。約30年にわたりEIRENE（Reiter et al 2005 Fusion Sci. Technol. 47 172-86）で使用されてきたモンテカルロ（MC）手法は、この種の複雑な問題を解くのに適している。実際、MC手法は、速度分布を6次元グリッド上に格納する必要なく6次元の運動論方程式をシミュレーションできる一方で、統計ノイズを導入するという代償を伴う。また、MCは幾何形状および原子・分子（A&M）過程に関して非常に優れた柔軟性を提供する。しかしながら、ITERやDEMOで予想されるような高衝突領域（HCR）では、計算的に極めて高い負荷が要求される。粒子に関する並列化はシミュレーションの実行時間短縮に役立つが、個々の軌跡が非常に多数のA&M事象を潜在的に含む状況において高速化を実現するには、精度の観点からモデルの階層構造を導出し、どのような物理問題に対して信頼性の高い回答を提供するかを明確に特定することが重要である。高度な流体中性粒子モデルはHCRにおいて非常に正確であり、完全な運動論的シミュレーションよりも少なくとも一桁高速であることが実証された。これらの流体モデルに基づき、3つのハイブリッド流体・運動論的アプローチが導入された：空間的ハイブリッド手法、ミクロ・マクロハイブリッド法、および漸近保存型MCスキームであり、これらは流体モデルの効率性と運動論的記述の精度を組み合わせることを目的とする。さらに、周辺プラズマ化学に関与するA&MイオンもMCソルバー内で運動論的に扱うことができ、運動論的不純物イオン輸送計算を可能にすることで、さらなるハイブリッド化への道を開く。本論文は、前述の手法の概要を示し、開発すべき最も有望な組み合わせを提案することを目的とする。