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Study of spontaneously reciprocal formation processes of radial transport and plasma rotation in plasmas with impurities

Research Project

Project/Area Number 22K03574
Research Category

Grant-in-Aid for Scientific Research (C)

Allocation TypeMulti-year Fund
Section一般
Review Section Basic Section 14020:Nuclear fusion-related
Research InstitutionKyoto University

Principal Investigator

本多 充  京都大学, 工学研究科, 教授 (90455296)

Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) 本間 裕貴  国立研究開発法人量子科学技術研究開発機構, 六ヶ所核融合研究所 核融合炉システム研究開発部, 主任研究員 (60836162)
Project Period (FY) 2022-04-01 – 2025-03-31
Project Status Granted (Fiscal Year 2023)
Budget Amount *help
¥3,510,000 (Direct Cost: ¥2,700,000、Indirect Cost: ¥810,000)
Fiscal Year 2024: ¥650,000 (Direct Cost: ¥500,000、Indirect Cost: ¥150,000)
Fiscal Year 2023: ¥910,000 (Direct Cost: ¥700,000、Indirect Cost: ¥210,000)
Fiscal Year 2022: ¥1,950,000 (Direct Cost: ¥1,500,000、Indirect Cost: ¥450,000)
Keywords核融合理論・シミュレーション / 新古典輸送 / 径方向電流トルク / 両極性輸送 / 運動量保存 / 自己随伴性 / 炭素不純物 / スーパーステージングモデル / ソースモデル / プラズマ回転 / 不純物輸送
Outline of Research at the Start

高閉じ込めプラズマ実現のために回転予測能力の獲得は極めて重要である。従来の回転研究は外部トルク入力によって高速に回転駆動されたプラズマを対象としてきた一方、外部トルク入力が支配的でないオーミック放電時や電子加熱時などは、従来型の解析・計算手法が適用できず、シミュレーション研究としては手つかずの状況であった。このような状況でも解析可能な、独自開発の輸送コードTASK/TXを用いて、不純物を含む自己無撞着な体系のプラズマにおいて乱流と衝突による輸送によって生じる径方向輸送とプラズマの回転がどのように関係しながら、直接的な外部駆動に依らない自発的な回転分布を形成するか、その普遍的理解を目指す。

Outline of Annual Research Achievements

今年度の成果は大きく2つに分かれ、一つは不純物の新古典両極性輸送理論に関わる数学的証明を行ったこと、もう一つは不純物存在下において高速中性粒子ビームを入射した際に生じる径方向電流トルクのモデルをTASK/TXシミュレーションによって検証したことである。
新古典輸送を記述するドリフト運動論方程式の線形化衝突演算子は線形化の過程でランダウ演算子の何らかの性質が近似的にしか成立しなくなる。線形化の影響をどの性質に押しつけるかで複数のモデルが提案されているが、どの性質を保持したモデルをどのコードで、あるいはどのような状況下でもちいるかについては明確な指針はなかった。モーメント法による新古典輸送計算において、衝突演算子の持つ運動量保存の性質のみだけで両極性輸送が保証されること、トカマクにおける径方向輸送とポロイダル回転の径電場からの独立性は、運動量保存に加えて衝突演算子の自己随伴性がないと保たれないことを、初めて数学的に証明した。また、モデルの適切な選択に対する指針も与えた。
ビーム入射された高速中性粒子はプラズマ中で電離、荷電交換によって高速イオンとなり、そのドリフト軌道の大きさから荷電分離が生じて径方向電流が流れ、それが径方向電流トルクとなってプラズマ回転を駆動する。高速イオンの軌道を追跡するモンテカルロシミュレーションでは高速イオン径方向電流が評価できるので、それを打ち消すようにプラズマに流れる径方向電流を結果として評価できるが、電流の粒子種ごとの内訳を知ることはできなかった。モンテカルロコードではこの現象は分極ドリフトであると仮定してモデルを作り、粒子種ごとの内訳をこれまで計算してきたが、その妥当性を検証する必要があった。TASK/TXが不純物拡張されたために検証が可能となり、検証の結果、分極ドリフトモデルで現象を良く再現できることが確かめられた。

Current Status of Research Progress
Current Status of Research Progress

2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.

Reason

昨年度までの成果で、申請書に謳っている3課題(a)(b)(c)のうち、2課題(a)(c)を達成済みとなった。そのため、順調に進展していると言える。

Strategy for Future Research Activity

2022年度に実施した不純物ソースモデルの各係数の検討を継続し、調整係数を減らせるようモデルの改良を行う。
残された課題である、乱流輸送モデルの導入に向けた取り組みを進める。大規模な乱流輸送モデルはそのままTASK/TXに導入するにはあまりにも計算時間が掛かりすぎるため、高速に動作する代理モデルの開発が肝要となる。機械学習を用いたこれまでにない方法による代理モデルの構築に取り組む。

Report

(2 results)
  • 2023 Research-status Report
  • 2022 Research-status Report
  • Research Products

    (15 results)

All 2023 2022 Other

All Journal Article (4 results) (of which Peer Reviewed: 4 results,  Open Access: 2 results) Presentation (10 results) (of which Int'l Joint Research: 5 results,  Invited: 2 results) Remarks (1 results)

  • [Journal Article] Algebraic and numerical studies on the roles of momentum conservation and self-adjointness in moment-based neoclassical particle fluxes2023

    • Author(s)
      Honda M.
    • Journal Title

      Physics of Plasmas

      Volume: 30 Issue: 9 Pages: 092305-092305

    • DOI

      10.1063/5.0164313

    • Related Report
      2023 Research-status Report
    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Multimodal convolutional neural networks for predicting evolution of gyrokinetic simulations2023

    • Author(s)
      Honda Mitsuru、Narita Emi、Maeyama Shinya、Watanabe Tomo‐Hiko
    • Journal Title

      Contributions to Plasma Physics

      Volume: - Issue: 5-6

    • DOI

      10.1002/ctpp.202200137

    • Related Report
      2022 Research-status Report
    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] A simplified model to estimate nonlinear turbulent transport by linear dynamics in plasma turbulence2023

    • Author(s)
      Nakayama Tomonari、Nakata Motoki、Honda Mitsuru、Narita Emi、Nunami Masanori、Matsuoka Seikichi
    • Journal Title

      Scientific Reports

      Volume: 13 Issue: 1 Pages: 2319-2319

    • DOI

      10.1038/s41598-023-29168-w

    • Related Report
      2022 Research-status Report
    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Journal Article] Gyrokinetic Turbulent Transport Simulations on Steady Burning Condition in D-T-He Plasmas2022

    • Author(s)
      NAKATA Motoki、HONDA Mitsuru
    • Journal Title

      Plasma and Fusion Research

      Volume: 17 Issue: 0 Pages: 1403083-1403083

    • DOI

      10.1585/pfr.17.1403083

    • ISSN
      1880-6821
    • Year and Date
      2022-07-22
    • Related Report
      2022 Research-status Report
    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Presentation] Supervised and unsupervised learning approaches to assist numericalsimulations of fusion plasmas2023

    • Author(s)
      M. Honda, E. Narita, S. Maeyama, T.-H. Watanabe
    • Organizer
      The 4th International Conference on Data Driven Plasma Sciences (ICDDPS-4)
    • Related Report
      2023 Research-status Report
    • Int'l Joint Research / Invited
  • [Presentation] Collaborative approaches between numerical plasma simulations and machine learning techniques2023

    • Author(s)
      M. Honda, E. Narita, S. Maeyama, T.-H. Watanabe
    • Organizer
      49th European Conference on Plasma Physics (EPS2023)
    • Related Report
      2023 Research-status Report
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Supervised and unsupervised learning approaches to complement numericalsimulations of fusion plasmas2023

    • Author(s)
      M. Honda, E. Narita, S. Maeyama, T.-H. Watanabe
    • Organizer
      The 14th International Symposium of Advanced Energy Science
    • Related Report
      2023 Research-status Report
    • Int'l Joint Research / Invited
  • [Presentation] Self-consistent predictions and assessment ofCore Plasma Performance in the Flat Top Phase of Burning Plasmas2023

    • Author(s)
      M. Honda, N. Aiba, E. Narita, Y. Masamoto, M. Furukawa
    • Organizer
      29th IAEA Fusion Energy Conference (FEC 2023)
    • Related Report
      2023 Research-status Report
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] 新古典粒子束における運動量保存と自己随伴性の役割についての代数的・数値的研究2023

    • Author(s)
      本多充
    • Organizer
      第40回プラズマ・核融合学会年会
    • Related Report
      2023 Research-status Report
  • [Presentation] 二流体輸送コードTASK/TX を用いた荷電分離による径方向電流発生の解析2023

    • Author(s)
      福永龍平、本多充、村上定義
    • Organizer
      第40回プラズマ・核融合学会年会
    • Related Report
      2023 Research-status Report
  • [Presentation] 深層学習による代理輸送モデル開発2023

    • Author(s)
      大谷凛太郎、本多充、村上定義
    • Organizer
      第40回プラズマ・核融合学会年会
    • Related Report
      2023 Research-status Report
  • [Presentation] Multimodal convolutional neural networks for predicting evolution of gyrokinetic simulations2022

    • Author(s)
      M. Honda, E. Narita, S. Maeyama, T.-H. Watanabe
    • Organizer
      27th International Conference on Numerical Simulation of Plasmas (ICNSP)
    • Related Report
      2022 Research-status Report
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] スーパーステージモデルを用いたTASK/TXにおける炭素不純物モデリング2022

    • Author(s)
      本多充、松山顕之、本間裕貴
    • Organizer
      第39回プラズマ・核融合学会年会
    • Related Report
      2022 Research-status Report
  • [Presentation] 大規模シミュレーションへのAI/データ科学の融合的アプローチ2022

    • Author(s)
      本多充、成田絵美、前山伸也、渡邉智彦
    • Organizer
      第39回プラズマ・核融合学会年会
    • Related Report
      2022 Research-status Report
  • [Remarks] 本多充教授が、令和5年度プラズマ・核融合学会賞第31回論文賞を受賞されました。

    • URL

      https://www.t.kyoto-u.ac.jp/ja/news-events/news/admg/20231207

    • Related Report
      2023 Research-status Report

URL: 

Published: 2022-04-19   Modified: 2024-12-25  

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