2022 Fiscal Year Research-status Report

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 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
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 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。
Causes of Carryover	コロナ禍の影響を受けた所属研究機関の出張制限により、当初計画どおりに出張することができず、また、令和4年度は核融合科学研究所等の大型計算機共同利用プロジェクトを活用できたため、スーパーコンピュータ利用負担金に係る支出計画を見直したことにより、次年度使用額が生じた。次年度使用額は、次年度分研究費と合わせて、スーパーコンピュータ利用負担金として使用する。