大域的5次元第一原理モデルのエクサスケール乱流計算による水素同位体混合現象の解明

Research Project

Project/Area Number	22K03584
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	Japan Atomic Energy Agency
Principal Investigator	井戸村泰宏国立研究開発法人日本原子力研究開発機構, システム計算科学センター, 室長 (00354580)
Co-Investigator(Kenkyū-buntansha)	松岡清吉核融合科学研究所, ヘリカル研究部, 助教 (10609986)
Project Period (FY)	2022-04-01 – 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: ¥1,430,000 (Direct Cost: ¥1,100,000、Indirect Cost: ¥330,000) Fiscal Year 2023: ¥1,560,000 (Direct Cost: ¥1,200,000、Indirect Cost: ¥360,000) Fiscal Year 2022: ¥1,040,000 (Direct Cost: ¥800,000、Indirect Cost: ¥240,000)
Keywords	水素同位体混合 / ペレット入射 / ジャイロ運動論 / イオン温度勾配駆動乱流 / 捕捉電子モード乱流
Outline of Research at the Start	磁場閉じ込め核融合プラズマの核融合出力を最適化する上で、燃料となる重水素と三重水素の密度比を制御することが重要であり、粒子閉じ込め時間に比べて一桁速い時間スケールで発展する水素同位体混合をもたらす乱流輸送現象が注目されている。本研究ではエクサスケールの大域的5次元第一原理乱流計算を駆使してこの物理機構を解明し、乱流輸送を介して間接的に炉心を制御する新たな手法の開発に貢献する。
Outline of Annual Research Achievements	磁場閉じ込め核融合プラズマの核融合出力を最適化する上で、燃料となる重水素と三重水素の密度比を制御することが重要な課題となっている。近年、JET装置や大型ヘリカル装置LHDにおいて水素と重水素の水素同位体混合実験が実施され、粒子閉じ込め時間に比べて一桁速い時間スケールの水素同位体混合現象が観測された。本研究では大域的モデルに基づくエクサスケールの5次元第一原理乱流計算を駆使して乱流揺動の雪崩的な伝搬や大域的電場形成による非局所的輸送現象の観点から速い水素同位体混合現象をもたらす物理機構を解明する。今年度は、多種イオン系プラズマにおける粒子輸送の基礎的検証として、炭素不純物の吐き出しが観測されているTore Supra装置のジュール加熱実験データを対象とする数値実験を実施した。この結果、炭素不純物吐き出し後のトレーサーレベルの不純物を含む系（実効電荷Zeff~1.36）ではバルクイオンの重水素と電子の粒子輸送のバランスによって両極性条件が満たされ、粒子閉じ込め時間はエネルギー閉じ込め時間より一桁大きくなるが、炭素不純物の吐き出し現象が発生する高濃度不純物を含む系（実効電荷Zeff~3.06）では炭素不純物の外向き輸送とバルクイオンの重水素の内向き輸送のバランスによって両極性条件が満たされ、電子閉じ込め時間より一桁速い時間スケールのイオン混合現象が発生することを発見した。また、トロイダル角運動量保存則に基づいてこの物理機構を解析し、トロイダル電場揺動と密度揺動の位相関係によって決まるトロイダル電場応力が速いイオン輸送を駆動し、重水素と炭素でこの位相関係が逆転することでイオン混合現象が発生することを明らかにした。
Current Status of Research Progress	Current Status of Research Progress 2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned. Reason 多種イオン系プラズマにおける粒子輸送の基礎的検証として、ジュール加熱実験における炭素不純物吐き出し現象を解析し、水素同位体混合現象を理解する上で鍵となるイオン混合現象の存在を発見するとともにその物理機構を解明した。この成果を背景として応募したHPCIシステム利用研究課題が採択され、令和５年度に予定している数値実験に必要な「富岳」の計算資源を獲得した。これらのことからおおむね順調に進展していると判断する。
Strategy for Future Research Activity	JET装置における水素同位体混合実験を対象とする数値実験を「富岳」で実施し、今年度に発見したイオン混合現象の物理機構の観点から水素同位体混合現象を解析する。