Study on optimized configuration of helical fusion reactor to mitigate impurity accumulation
| Project/Area Number |
21K03517
|
|---|
| 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 |
佐竹 真介 核融合科学研究所, ヘリカル研究部, 准教授 (70390630)
|
|---|
| Project Period (FY) |
2021-04-01 – 2025-03-31
|
| Project Status |
Granted (Fiscal Year 2022)
|
| Budget Amount *help |
¥4,030,000 (Direct Cost: ¥3,100,000、Indirect Cost: ¥930,000)
Fiscal Year 2024: ¥130,000 (Direct Cost: ¥100,000、Indirect Cost: ¥30,000)
Fiscal Year 2023: ¥390,000 (Direct Cost: ¥300,000、Indirect Cost: ¥90,000)
Fiscal Year 2022: ¥130,000 (Direct Cost: ¥100,000、Indirect Cost: ¥30,000)
Fiscal Year 2021: ¥3,380,000 (Direct Cost: ¥2,600,000、Indirect Cost: ¥780,000)
|
|---|
| Keywords | 多目的最適化 / 不純物輸送 / 新古典輸送 / 機械学習 / ガウス過程回帰 / 核融合炉 / MHD安定性 / 最適化配位 |
|---|
| Outline of Research at the Start |
核融合炉の定常運転を目指す上で、不純物イオンの蓄積を抑制する必要がある。ヘリカル磁場装置では電子とイオンの温度がほぼ等しい場合、新古典輸送理論から予測される径電場が負になると想定され、負電場によって高Zイオンほどプラズマ中心に輸送されることが懸念されていた。しかし、荷電粒子の大域的ドリフト運動を正しく解く新古典輸送計算により、電子とイオンの温度が同程度でも、正の両極性電場ができることが示唆されている。本研究では、磁場配位を最適化することで、正の両極性電場ができやすく、不純物の蓄積が抑制できる条件を研究し、それを機械学習でモデル化することで、核融合炉の最適化配位設計を目指す。
|
| Outline of Annual Research Achievements |
2022年度には、不純物の自発的な吐き出しが観測されている「不純物ホールプラズマ」中の径電場構造と不純物密度分布の変化を、核融合科学研究所のLHDで実験条件を様々に変えながら計測した。その結果、磁気軸近くに電子密度のピーク構造が生じる場合不純物ホールが生じにくい、という新しい発見があった。また、これまでほとんど詳細な観測がなかった磁気軸周辺の径電場分布構造を測定でき、新古典輸送シミュレーションと観測との系統的な比較が可能な十分なデータが得られた。
磁場配位最適化の研究に関しては、ヘリカルコイルの巻き線形状を様々に変化させ、MHD平衡磁場配位を自動計算するプログラム群が完成させた。これを用いて数十万通りの磁場配位を生成し、各種機械学習の教師データとして使えるMHD平衡磁場を計算した。磁場配位の形状に自由度が大きいため、内側に大きな磁気島領域を持つ平衡磁場が出来てしまう場合があるため、画像認識の機械学習を用いて、大きな磁気島を内側に含む磁場配位を判定する手法を指導学生と共同で開発した。学習のパラメータをチューニングすることで、95％程度の精度で磁場のポアンカレプロットから磁気島の有無を高速に判定できるようになった。
また、ガウス過程回帰を用い、磁場配位最適化の指標であるMHD線形安定性と、プラズマの体積について教師データを基にコイル形状とコイル電流の設計パラメータのみから推定する機械学習法を指導学生と開発した。教師データが4千程度しか取れなかったため推定値の分散は大きくなったが、それでも設計パラメータに対する2つの指標の依存性を再現することに成功した。これによて、ガウス過程モデルを代理モデルとした磁場配位の多目的配位探索法の構築にめどがついた。これらの成果は指導学生の修士論文としてまとめさせた。
|
| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
不純物ホール現象について、2021年、2022年に実施したLHDでの実験で十分な観測データを得た。現在、スーパーコンピュータを用いた新古典輸送シミュレーションでこれらの実験結果を解析し、不純物の吐き出しが起こりやすい条件と、そのメカニズムについての解明を進めている。
機械学習モデルも当初目標としていた磁気島の判定と、ガウス過程回帰による目的関数の評価についての原理実証が完了した。今年度はこれに新古典輸送の簡易シミュレーション結果の教師データを加え、多目的最適化配位探索のモデル構築を完成させる。
|
| Strategy for Future Research Activity |
昨年度までに得られたLHDでの実験結果をシミュレーションで解析する。その成果は共著者がIAEA-FECで発表予定である。
新古典輸送の評価については、まずは不純物を含まないバルクプラズマの新古典輸送を高速に評価するKNOSOSコードを配位探索コードに連結し、大量の磁場配位に対して新古典輸送の大きさの配位依存性を学習させる教師データを作成する。
そして、その依存性をガウス過程回帰で学習し、代理モデルを構築する。
次に、すでに試してあるMHD安定性など、他の目的関数の代理モデルを合わせて多目的最適化問題としてパレート最適解を探索する計算コードの開発を行う。
パレート最適解に対し、不純物イオンを入れた計算を行い、不純物の蓄積のしずらい配位を選び出す。
|
Report
(2 results)
Research Products
(10 results)
