2020 Fiscal Year Research-status Report
Quantitative prediction of plasma profile formation by first-principle simulation and machine learning
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20K03907
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| Research Institution | National Institute for Fusion Science |
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Principal Investigator |
沼波 政倫 核融合科学研究所, ヘリカル研究部, 准教授 (40397203)
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| 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)
仲田 資季 核融合科学研究所, ヘリカル研究部, 准教授 (40709440)
佐竹 真介 核融合科学研究所, ヘリカル研究部, 准教授 (70390630)
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| Project Period (FY) |
2020-04-01 – 2024-03-31
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| 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 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究課題の主目的は、磁場閉じ込め核融合炉の炉心性能を左右するプラズマ輸送現象に対して、運動論に基づいた大規模シミュレーションを行うことで、高い閉じ込め性能を有するプラズマの温度・密度分布を見出すことである。これまでに、ジャイロ運動論に基づいた微視的プラズマ乱流シミュレーションにより、乱流輸送レベルやスペクトル構造などを定量的に再現できることが明らかになってきている。一方で、乱流や粒子衝突に伴う輸送現象により形成される粒子種ごとに異なる複雑な温度・密度分布に対しては、その形成機構が未だ明らかにはなっていない。さらには、上述したジャイロ運動論的シミュレーションによって分布の形成過程までを計算で追うことは、計算規模の観点から非現実的である。
そこで本研究では、乱流・衝突性輸送の第一原理シミュレーション、簡約輸送モデル、データ科学的手法の３つを融合した新しいプラズマ分布の予測手法を確立し、これと大域的な分布発展計算とを組み合わせることによって、多粒子種プラズマの分布形成の物理機構を解明することを目指している。
令和２年度では、これまでに実施してきたイオンスケール乱流シミュレーションの結果に基づいて構築された簡約輸送モデルと、機械学習などで頻用される数理最適化手法を利用して、第一原理シミュレーションの実行回数を大幅に削減し、かつ、これまでの第一原理シミュレーションと同等の精度を維持したまま、輸送レベルを再現することに成功した。また、この手法をプラズマ温度分布の時間発展計算に適用し、高精度の温度分布を得ることができた。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
初年度である令和２年度では、LHDプラズマのイオンスケール乱流を対象にした解析を実施した。
本解析では、まず、これまでに蓄積されてきた大規模シミュレーション・データから構築された簡約乱流輸送モデルに対して、数理最適化手法を適用し、第一原理シミュレーションの入力パラメータ（イオン温度勾配）の推定を行った。そして、推定されたパラメータを用いたケースのみ、第一原理シミュレーションを実行し、その結果を上述の簡約輸送モデルの修正・最適化に改めて適用した。こうして、対象とするプラズマにおける最適モデルを構築した。
ここで得られた最適モデルによる輸送レベルの予測は、第一原理シミュレーションを多数回実行してようやく得られる輸送レベルと非常に高い精度で一致することが確認できた。さらに、この最適モデルを利用して、統合輸送コードTASK3Dを用いたイオン温度分布の時間発展計算を実行し、従来の簡約モデルを用いた場合の結果と比較して、有意な違いが生じることを確認した。
従来の第一原理シミュレーションを多数回実行する場合で得られる分布発展解析の結果と同等精度の結果が得られるようになったため、本研究課題の主目的であるプラズマ温度・密度の分布形成機構の解明に向けた手法の基盤が確立できたと言える。
以上の理由により、上記の達成度とした。
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| Strategy for Future Research Activity |
令和２年度の成果によって、分布形成機構の解明に向けた解析手法の基盤は確立できた。これを受けて今後は、対象とする輸送モデルを電子温度勾配まで含めたより精密なモデルに拡張し、電子熱輸送を含めた複数粒子種・複数輸送フラックスでの解析に発展させる。特に、令和３年度は下記についての研究を推進する。
(1) 電子熱輸送のモデリング： これまでのイオン熱輸送モデルに加えて、電子の熱輸送フラックスについても、イオンと同様の方針で簡約輸送モデルを構築する。そして、構築された輸送モデルに基づいて数理最適化手法による入力パラメータ推定を実施し、そのパラメータでの第一原理シミュレーションを実行して、最適化モデルを構築する。
(2) 電子温度勾配を含めた解析： 電子温度勾配を含めた多次元の入力パラメータ空間での最適化モデル構築を進める。パラメータ空間が広範になるため、これまでに実施してきた多粒子種プラズマ乱流シミュレーションの結果も利用し、精度の高いモデル構築を行う。
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| Causes of Carryover |
(理由)
新型コロナウイルスの世界的な感染拡大に伴い、参加を予定していた全ての国際会議、国内学会が延期もしくはオンラインでの開催に変更されたため、その参加旅費として予定していた当初の使用計画が大幅に修正され、次年度以降への使用計画の変更を行なったため。
(使用計画)
令和３年度では、依然として新型コロナウイルスの感染拡大が収束するものとは楽観視できない上、令和２年度から延期されていた国際会議もオンラインでの開催への変更が決定され始めている。そのため、外国旅費としての使用は主に令和４年度以降とし、令和３年度では、研究協力者とのオンライン会合に利用する端末および、大規模シミュレーションで得られる計算データの保存用サーバ、論文投稿費、研究資料の購入費を主な使用費目として計画を変更する。
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Research Products
(10 results)
