2021 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 |
本課題では、磁場閉じ込め型核融合炉の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、高性能プラズマを実現し得る温度・密度分布を見出すことを主目的に掲げている。現在、ジャイロ運動論に基づいたシミュレーション研究によって、輸送係数や乱流スペクトルなどが再現できるようになり、数値計算の重要性が増している。しかし、複数粒子種から構成されている現実的な閉じ込めプラズマでは、粒子種ごとに異なる温度・密度分布が形成され、その形成機構は定性的にも定量的にも明らかにはなっていない重要課題の一つとなっている。また、上記のジャイロ運動論シミュレーションで、その形成過程までを追うには、非常に巨大な計算量を要するために、非現実的である。こうした背景の下、本研究では運動論に基づく第一原理シミュレーション、簡約輸送モデル構築、データ科学的手法を融合した新しいプラズマ分布の予測手法を確立し、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で、冒頭の主目的を達成することを目指している。 令和３年度では、前年度までに開発を進めてきた、簡約輸送モデルと数理最適化手法を融合した新しいプラズマ輸送予測手法・分布予測手法に対して、より高精度の予測が実現できるよう、簡約輸送モデルの基礎としている輸送関係式の改良を行った。この改良では、これまでの研究がシミュレーション結果の時間平均されたデータのみに注目していた状況を改め、時間平均前の時系列データ自体に注目することで、これまでの関係式と比較して一桁以上、予測精度が向上させることができた。同時に、大型ヘルカル装置（LHD）実験などにおける定量的解析も進め、大規模シミュレーション自体の定量的な精度向上も実現した。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
3: Progress in research has been slightly delayed.
Reason
2年目である令和３年度では、本研究課題の主要課題の一つである簡約乱流輸送モデルの高精度化に取り組んだ。これまでの簡約輸送モデルがシミュレーションデータの時間平均データから構成された乱流輸送関係式に基づいて構築されてきたのに対し、ここでは、時間平均を取る前の時系列データそのものに対して関係式を再構成することを試みた。したがって、温度勾配などのジャイロ運動論シミュレーションの入力パラメータごとに関係式が構成されるため、簡約輸送モデルの自由度自体は増加することになる。一方、輸送関係式自体の精度が大幅に向上していることが分かり、従来の関係式と比較して乱流シミュレーション結果の再現誤差が1/20程度まで削減することができた。
さらに、乱流シミュレーションのバリデーション解析として、日本の大型ヘリカル装置（LHD）およびドイツのヴェンデルシュタイン7-Xにおける国際共同研究も進め、双方の実験結果のシミュレーションによる再現と、磁場配位の差異によるプラズマ乱流輸送への寄与に関する定量的な説明を与えた。
以上のように、本課題の主要課題である簡約輸送モデルの高精度化と、より定量的なシミュレーションの実現という重要な成果を得ることができた。しかし、本課題の主目的とした温度・密度の分布形成機構の解明に対して、特に密度分布形成に関する解析が若干遅れており、上記の達成度とした。
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| Strategy for Future Research Activity |
令和３年度の成果によって、簡約輸送モデルのベースとなる輸送関係式を高い予測精度を有する形で実現する基盤が完成した。これを受けて今後は、線形計算やシミュレーションの入力パラメータのみで表現された簡約輸送モデルの構築を行い、このモデルと機械学習を用いた解析で、さらに高精度の輸送・分布予測手法を確立する。また、粒子輸送についても上記と同様の方法により簡約輸送モデルの構築を進める。
一方、令和３年度において、輸送関係式を構成する各係数が張るパラメータ空間上において、特徴的な構造が形成されることが新たに分かった。このパラメータ空間構造は、輸送モデルを一般的な数理解析手法で構築できる可能性を示している。この点においても解析を進め、本研究課題の主目的である複数粒子種プラズマの温度・密度分布形成の物理機構の解明を目指す。
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| Causes of Carryover |
(理由)
新型コロナウイルスの国内外の感染状況に伴い、参加を予定していた全ての国際会議と一部の国内学会・研究会がオンライン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使用計画が修正され、次年度以降への使用計画の変更を行なうこととなった。
(使用計画)
令和４年度では、新型コロナウイルスの感染状況が若干変化してきており、特に各国の行動制限の緩和が進み、一部に現地開催で実施する国際会議も見られている。しかし、依然として楽観視できない状況であり、すでにオンライン実施が決定している国際会議も多く、出張旅費としての使用には不透明な部分がある。そこで、令和４年度は前期に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、研究資料の購入費等を主な使用費目として計画し、後期以降に旅費使用を行う計画に変更する。
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| Remarks |
核融合プラズマの乱流抑制に新たな可能性 - 日欧の国際共同研究により革新的核融合炉への新展開 -
https://www.nifs.ac.jp/news/researches/211105.html
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Research Products
(7 results)
