Quantitative prediction of plasma profile formation by first-principle simulation and machine learning
| Project/Area Number |
20K03907
|
|---|
| Research Category |
Grant-in-Aid for Scientific Research (C)
|
| Allocation Type | Multi-year Fund |
|---|
| Section | 一般 |
|---|
| Review Section |
Basic Section 14020:Nuclear fusion-related
|
|---|
| Research Institution | National Institute for Fusion Science |
|---|
Principal Investigator |
沼波 政倫 核融合科学研究所, 研究部, 教授 (40397203)
|
|---|
| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
松岡 清吉 核融合科学研究所, 研究部, 助教 (10609986)
仲田 資季 核融合科学研究所, 研究部, 准教授 (40709440)
佐竹 真介 核融合科学研究所, 研究部, 准教授 (70390630)
|
|---|
| Project Period (FY) |
2020-04-01 – 2025-03-31
|
| Project Status |
Granted (Fiscal Year 2023)
|
| Budget Amount *help |
¥4,160,000 (Direct Cost: ¥3,200,000、Indirect Cost: ¥960,000)
Fiscal Year 2023: ¥780,000 (Direct Cost: ¥600,000、Indirect Cost: ¥180,000)
Fiscal Year 2022: ¥910,000 (Direct Cost: ¥700,000、Indirect Cost: ¥210,000)
Fiscal Year 2021: ¥910,000 (Direct Cost: ¥700,000、Indirect Cost: ¥210,000)
Fiscal Year 2020: ¥1,560,000 (Direct Cost: ¥1,200,000、Indirect Cost: ¥360,000)
|
|---|
| Keywords | プラズマ乱流輸送 / ジャイロ運動論 / 第一原理シミュレーション / 機械学習 / 核融合プラズマ / 第一原理計算 / 乱流輸送 / 新古典輸送 |
|---|
| Outline of Research at the Start |
磁場閉じ込めプラズマでは、乱流や粒子衝突に伴う非線形の輸送現象に支配されながら、粒子種ごとに異なる形状を持つ複雑なプラズマ分布が形成されるが、その形成機構の解明が重要な課題となっている。本研究では、乱流・衝突性（新古典）輸送の第一原理計算と機械学習の方法を融合させ、新しいプラズマ分布の予測手法を確立する。本手法を用いた解析の対象を、既存の実験装置、国際熱核融合実験炉 (ITER)、新しい装置設計へと発展させていくことで、プラズマ分布の定量的予測を通じて、多粒子種プラズマ分布の形成機構と磁場閉じ込め核融合炉にとっての最適な分布の形成条件を明らかにする。
|
| Outline of Annual Research Achievements |
本研究課題は、磁場閉じ込め方式の核融合炉開発研究において、高温プラズマの閉じ込め性能に直結するプラズマ輸送現象に着目し、数値シミュレーションや数理モデル、データ解析手法を用いることで、輸送を低減し得るプラズマ分布を見出すことを目的に据えている。特に、輸送の大半を占めるプラズマ乱流による輸送をジャイロ運動論に基づいた第一原理計算とモデリングを中心に解析を進めている。本課題以前の研究によって、輸送係数や乱流スペクトルなどの定量的な再現が実現してきているが、例えば、複数粒子種から構成されている現実的な系では、異なる輸送特性に起因する複雑な物理過程により、実際の輸送現象や分布形成には未解明な課題が多い。さらに、このような系を第一原理で扱うには膨大な計算量が必要となり、単純に第一原理計算で対応することは現実的に困難である。こうした中で本研究は、簡約化された乱流輸送モデルを基礎にして、第一原理計算のみに依らずに効率的にプラズマ輸送予測を実現し、プラズマの分布形成の物理を解明することを目指している。令和5年度では、簡約輸送モデルをさらに高精度化するため、モデルの基礎となる乱流・帯状流・輸送係数に関する数理関係式に対して、時間発展までを含めた拡張を引き続き進め、各成分の時間発展を簡単な方程式系として表現することを試みた。さらに、各成分の時間発展を含めた数理モデリングとモデル式中のパラメータから構成されるパラメータ空間の構造解析から、数理関係式の関数形を制約することも試みた。
|
| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
3: Progress in research has been slightly delayed.
Reason
当初予定で最終年度であった令和5年度は、前年度までに取り組んできた本研究の主要部分を占める簡約乱流輸送モデルの高精度化を基礎として研究を進めた。ここでの高精度化は、乱流振幅、帯状流振幅、輸送係数を変数とする数理関係式を、ジャイロ運動論シミュレーションで得た各変数の時間発展自体に対して当てはめ、モデルを再構成するものであった。前年度において、乱流や帯状流が相互に時間的遅れを伴って発展していくことに着目した時間遅れ効果の導入によってモデルの高精度化に取り組んでいたが、令和5年度は、その時間発展から低周波成分を取り出した簡単な方程式系による表現を試みた。一方で、上述の乱流振幅、帯状流、輸送係数といった従来の変数ではなく、モデルの数理式を規定する係数や指数といったパラメータが張る空間上でモデル精度を評価することで、関係式を構成する関数形の尤度を議論できることも分かった。
以上のように、本課題の主要部である簡約輸送モデルの高精度化には一定の成果が得られた。一方で、プラズマ分布形成に関する解析は継続して進めており、上記の達成度とした。
|
| Strategy for Future Research Activity |
令和5年度において、本課題の主要課題の一つである簡約化輸送モデルの高精度化に対して、時間発展データに着目することで、モデルの基礎となる数理関係式の拡張と精度向上に取り組んだ。特に、数理関係式を構成する係数や指数などのパラメータが張る空間上でのモデルが持つ特徴的な構造に着目して、数理関係式の関数形を議論できることを示した。また、シミュレーションでの各変数の時間発展を簡単な方程式系で表現した。これらの結果を受けて、延長後の最終年度（令和６年度）では、プラズマ輸送における普遍的な特性を考慮したより一般的な輸送評価を用いてプラズマ分布形成の物理機構の解明を目指す。
|
Report
(4 results)
Research Products
(29 results)
