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Linear benchmarks between the hybrid codes HYMAGYC and HMGC to study energetic particle driven Alfvénic modes

G. Fogaccia, G. Vlad, S. Briguglio2016年被引用 10Nuclear FusionIF 3出版社

Resonant interaction between energetic particles (EPs), produced by fusion reactions and/or additional heating systems, and shear Alfvén modes can destabilize global Alfvénic modes enhancing the EP transport. In order to investigate the EP transport in present and next generation fusion devices, numerical simulations are recognized as a very important tool. Among the various numerical models, the hybrid MHD gyrokinetic one has shown to be a valid compromise between a sufficiently accurate wave-particle interaction description and affordable computational resource requirements. This paper presents a linear benchmark between the hybrid codes HYMAGYC and HMGC. The HYMAGYC code solves the full, linear MHD equations in general curvilinear geometry for the bulk plasma and describes the EP population by the nonlinear gyrokinetic Vlasov equation. On the other side, HMGC solves the nonlinear, reduced , pressureless MHD equations ( being the inverse aspect ratio) for the bulk plasma and the drift kinetic Vlasov equation for the EPs. The results of the HYMAGYC and HMGC codes have been compared both in the MHD limit and in a wide range of the EP parameter space for two test cases (one of which being the so-called TAE n  =  6 ITPA Energetic Particle Group test case), both characterized by . In the first test case (test case A), good qualitative agreement is found w.r.t. real frequencies, growth rates and spatial structures of the most unstable modes, with some quantitative differences for the growth rates. For the so-called ITPA test case (test case B), at the nominal energetic particle density value, the disagreement between the two codes is, on the contrary, also qualitative, as a different mode is found as the most unstable one.

日本語訳

核融合反応および/または追加加熱システムによって生成される高エネルギー粒子(EP)とせん断アルフヴェン・モードとの共鳴的相互作用は、大域的アルフヴェン・モードを不安定化させ、EP輸送を増大させ得る。現在および次世代の核融合装置におけるEP輸送を調査するために、数値シミュレーションは非常に重要なツールとして認識されている。様々な数値モデルの中で、ハイブリッドMHDジャイロ運動論モデルは、十分に正確な波-粒子相互作用の記述と手頃な計算資源要件との間の有効な妥協点を示している。本論文は、ハイブリッドコードHYMAGYCとHMGCの間の線形ベンチマークを提示する。HYMAGYCコードは、バルクプラズマに対して一般曲線座標系における完全な線形MHD方程式を解き、EP集団を非線形ジャイロ運動論的ブラソフ方程式によって記述する。一方、HMGCは、バルクプラズマに対して非線形の縮約された、圧力のないMHD方程式(は逆アスペクト比)を解き、EPに対してドリフト運動論的ブラソフ方程式を解く。HYMAGYCコードとHMGCコードの結果は、MHD極限および広範囲のEPパラメータ空間において、2つのテストケース(そのうちの1つはいわゆるTAE n  =  6 ITPA高エネルギー粒子グループテストケース)について比較されており、両方ともによって特徴づけられる。最初のテストケース(テストケースA)では、最も不安定なモードの実周波数、成長率、空間構造に関して良好な定性的一致が見られ、成長率にはいくつかの定量的差異がある。いわゆるITPAテストケース(テストケースB)では、公称高エネルギー粒子密度値において、2つのコード間の不一致は逆に定性的でもあり、異なるモードが最も不安定なものとして見出される。

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