First-principle simulation study of a novel self-heating channel for burning plasmas

• 研究課題/領域番号: 16K18341
• 研究種目: 若手研究(B)
• 配分区分: 基金
• 研究分野: 核融合学
• 研究機関: 国立研究開発法人量子科学技術研究開発機構
• 研究代表者: Bierwage Andreas 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, 上席研究員(定常) (10584691)
• 研究期間 (年度): 2016-04-01 – 2020-03-31
• 研究課題ステータス: 完了 (2019年度)
• 配分額: 3,380千円 (直接経費: 2,600千円、間接経費: 780千円); 2019年度: 650千円 (直接経費: 500千円、間接経費: 150千円); 2018年度: 650千円 (直接経費: 500千円、間接経費: 150千円); 2017年度: 1,040千円 (直接経費: 800千円、間接経費: 240千円); 2016年度: 1,040千円 (直接経費: 800千円、間接経費: 240千円)
• キーワード: 突発的大事象 / 異常自己加熱 / 高エネルギー粒子 / ハイブリッドシミュレーション / ジャイロ運動論的シミュレーション / トカマクプラズマ / Abrupt large events / Anomalous self-heating / Energetic particles / Hybrid simulation / Gyrokinetic simulation / Tokamak plasma / Nuclear fusion / MHD waves / Energetic ions / Nonlinear simulation

研究成果の概要

この研究の目的は、最近発見された自己加熱チャンネルが核融合プラズマ性能にどう影響するかを明らかにすることである。これまで検討していた自己加熱チャンネルは、電磁流体として記述されたプラズマにおいてのみ存在することが判明した。ジャイロ運動論モデルによればとアルフベン波とイオン音波の結合は高周波数帯域で事実上消滅してしまう。一方、（１）高速イオン励起アルフベン波の新しい分枝の存在（２）大振幅アルフベン波がテアリングモードに対し、線形安定な配位にもかかわらず磁気島を生成するという2つの発見があり、未知の加熱チャンネルの探索を行う動機付けとなった。その物理機構に関しては現在、研究中である。

研究成果の学術的意義や社会的意義

核融合炉を実現するためには効果的な自己加熱機構の存在が重要である。この基礎研究は、以前発見した自己加熱機構の理解を深めるとともに２つの可能性を提示した。この研究成果は、Nature Communicationsに論文発表した。

研究成果

• [国際共同研究] Max Planck IPP (Project ID JI38)(ドイツ)
• [国際共同研究] Max Planck IPP (Project ID: JI35)(ドイツ)
• [国際共同研究] Max Planck IPP (Project ID: JI35)(Germany)
• [雑誌論文] Reconnecting instabilities in JT-60SA during current ramp-up with off-axis N-NB injection (2019)
  • 著者名/発表者名: A. Bierwage, N. Aiba, A. Matsuyama, K. Shinohara, M. Yagi
  • 雑誌名: Plasma Physics and Controlled Fusion 巻: 61 号: 1 ページ: 014025-014025
  • DOI: 10.1088/1361-6587/aad97b
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Simulations tackle abrupt massive migrations of energetic beam ions in a tokamak plasma (2018)
  • 著者名/発表者名: Andreas Bierwage, Kouji Shinohara, Yasushi Todo, Nobuyuki Aiba, Masao Ishikawa, Go Matsunaga, Manabu Takechi, Masatoshi Yagi
  • 雑誌名: Nature Communications 巻: 9 号: 1
  • DOI: 10.1038/s41467-018-05779-0
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Benchmark of multi-phase method for the computation of fast ion distributions in a tokamak plasma in the presence of low-amplitude resonant MHD activity (2017)
  • 著者名/発表者名: A. Bierwage and Y. Todo
  • 雑誌名: Computer Physics Communications 巻: 220 ページ: 279-284
  • DOI: 10.1016/j.cpc.2017.07.022
  • NAID: 120007180037
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Gyrokinetic analysis of low-n shear Alfven and ion sound wave spectra in a high-beta tokamak plasma (2017)
  • 著者名/発表者名: A. Bierwage and Ph. Lauber
  • 雑誌名: Nuclear Fusion 巻: 57 号: 11 ページ: 116063-116063
  • DOI: 10.1088/1741-4326/aa80fe
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Self-consistent long-time simulation of chirping and beating energetic particle modes in JT-60U plasmas (2017)
  • 著者名/発表者名: A. Bierwage, K. Shinohara, Y. Todo, N. Aiba, M. Ishikawa, G. Matsunaga, M. Takechi and M. Yagi
  • 雑誌名: Nuclear Fusion 巻: 57 号: 1 ページ: 016036-016036
  • DOI: 10.1088/1741-4326/57/1/016036
  • NAID: 120007180041
  • 査読あり / 国際共著 / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] First-Principle Simulations Reproduce Multiple Cycles of Abrupt Large Relaxation Events in Beam-Driven JT-60 Plasmas (2016)
  • 著者名/発表者名: A. Bierwage, K. Shinohara, Y. Todo, N. Aiba, M. Ishikawa, G. Matsunaga, M. Takechi, M. Toma and M. Yagi
  • 雑誌名: Proceedings of the 26th IAEA Fusion Energy Conference, 2016, Kyoto, Japan, International Atomic Energy Agency, Vienna (Online) 巻: 1
  • 国際共著 / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Energetic-particle and MHD hybrid simulations (2016)
  • 著者名/発表者名: A. Bierwage
  • 雑誌名: Proceedings of the 2016 Autumn Meeting, The Physical Society of Japan, 2016, Kanazawa, Japan (DVD-ROM) 巻: 1
  • NAID: 130006246353
• [学会発表] 9 Years of Research on Energetic Ion Physics in NEXT Project (2019)
  • 著者名/発表者名: Andreas Bierwage
  • 学会等名: 25th Numerical EXperiment of Tokamak (NEXT) Project Meeting
  • 招待講演
• [学会発表] Magnetic Reconnection during Fast Ion Driven Alfvenic Activity (2019)
  • 著者名/発表者名: Andreas Bierwage
  • 学会等名: 16th IAEA Technical Meeting on Energetic Particles in Magnetic Confinement Systems
• [学会発表] Energetic-ion-driven instabilities and transport in fusion plasmas: Multi-time-scale sim- ulations, validation, predictions and insights (2019)
  • 著者名/発表者名: Andreas Bierwage
  • 学会等名: Max Planck Princeton Center (MPPC) Workshop 2019
  • 招待講演
• [学会発表] Simulation of abrupt massive migrations of energetic beam ions in a tokamak plasma (2018)
  • 著者名/発表者名: Andreas Bierwage
  • 学会等名: Kyoto Workshop on Nonlinear Wave Particle Interactions in Plasmas
• [学会発表] Energetic-ion-driven instabilities and transport: Multi-time-scale simulations, validation, predictions and insights (2018)
  • 著者名/発表者名: Andreas Bierwage
  • 学会等名: 2018 Korean Physical Society (KPS) Fall Meeting, Pioneer Symposium 8: Data-based Plasma Science and Simulation for the Computer Aided Design
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Simulation and analysis of fast ion dynamics in a JT-60SA tokamak plasma subject to pressure- and current-driven instabilities (2018)
  • 著者名/発表者名: Andreas Bierwage
  • 学会等名: 45th European Physical Society (EPS) Conference on Plasma Physics
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Magnetic topology change during large-amplitude Alfvenic oscillations driven by energetic beam ions in a tokamak (2018)
  • 著者名/発表者名: Andreas Bierwage
  • 学会等名: 4th Kyoto University-UNIST Workshop
• [学会発表] Magnetic topology change during large-amplitude Alfvenic oscillations driven by energetic beam ions in a tokamak (2018)
  • 著者名/発表者名: Andreas Bierwage
  • 学会等名: 12th High Energy Density Laboratory Astrophysics (HEDLA) Conference
• [学会発表] Role of Reconnecting MHD Modes in Hybrid Simulations of Beam-Driven Tokamak Plasmas (2017)
  • 著者名/発表者名: A. Bierwage
  • 学会等名: Joint Meeting of 26th ITC and 11th APFA Conference
• [学会発表] Energetic Particle Dynamics in Tokamak Plasmas (2017)
  • 著者名/発表者名: A. Bierwage
  • 学会等名: 2017 JPSF Plasma Conference
• [学会発表] Energetic-Ion-Driven MHD Instab. & Transport: Simulation Methods, V&V and Predictions (2017)
  • 著者名/発表者名: A. Bierwage
  • 学会等名: 7th APTWG Intl. Conference
• [学会発表] Shear Alfven and ion sound waves in high-beta tokamak plasma (2016)
  • 著者名/発表者名: A. Bierwage
  • 学会等名: 2016 US-Japan, Workshop on MHD Stability and Control
  • 発表場所: General Atomics, San Diego, California, USA
  • 年月日: 2016-11-07
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Self-consistent long-time simulation of chirping energetic particle modes and abrupt large events in beam-driven JT-60U tokamak plasmas (2016)
  • 著者名/発表者名: A. Bierwage
  • 学会等名: 58th Annual Meeting of the APS Division of Plasma Physics (Oral)
  • 発表場所: San Jose, California, USA
  • 年月日: 2016-10-31
  • 国際学会
• [学会発表] Analysis of mode structure and trigger mechanism of Abrupt Large Events in JT-60U (2016)
  • 著者名/発表者名: A. Bierwage
  • 学会等名: 17th ITPA Energetic Particle Topical Group Meeting (Oral)
  • 発表場所: Kyoto University, Kyoto, Japan
  • 年月日: 2016-10-24
  • 国際学会
• [学会発表] First-Principle Simulations Reproduce Multiple Cycles of Abrupt Large Relaxation Events in Beam-Driven JT-60 Plasmas (2016)
  • 著者名/発表者名: A. Bierwage
  • 学会等名: 26th IAEA Fusion Energy Conference (Oral TH/4-3)
  • 発表場所: Kyoto, Japan
  • 年月日: 2016-10-17
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Energetic-particle and MHD hybrid simulations (2016)
  • 著者名/発表者名: A. Bierwage
  • 学会等名: 2016 Autumn Meeting of the Physical Society of Japan (Symposium talk 14pKA-3)
  • 発表場所: Kanazawa, Japan
  • 年月日: 2016-09-13
  • 招待講演
• [備考] JT‐60 Home Page, Plasma Theory & Simulation Group
  • URL: https://www.qst.go.jp/site/jt60/6700.html
• [備考] Andreas Bierwage, Fusion Science
  • URL: http://fusionofminds.org/FusionScience/index.html
• [備考] JT-60 Home Page
  • URL: http://www-jt60.naka.qst.go.jp/theory/staff/bierwageJ.html