第一原理的大域シミュレーションによる核燃焼プラズマの乱流輸送と分布形成の研究

• 研究課題/領域番号: 17K14899
• 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: 核融合科学研究所
• 研究代表者: 仲田 資季 核融合科学研究所, ヘリカル研究部, 准教授 (40709440)
• 研究期間 (年度): 2017-04-01 – 2021-03-31
• 研究課題ステータス: 完了 (2020年度)
• 配分額: 3,900千円 (直接経費: 3,000千円、間接経費: 900千円); 2020年度: 910千円 (直接経費: 700千円、間接経費: 210千円); 2019年度: 780千円 (直接経費: 600千円、間接経費: 180千円); 2018年度: 1,430千円 (直接経費: 1,100千円、間接経費: 330千円); 2017年度: 780千円 (直接経費: 600千円、間接経費: 180千円)
• キーワード: 燃焼プラズマ / 乱流輸送 / ゾーナルフロー / 連成大域計算 / 同位体効果 / プラズマ乱流 / 大域シミュレーション / 縮約モデル / 磁場構造 / プラズマ乱流輸送 / プラズマ・核融合

研究成果の概要

本研究は、核融合燃焼の定常維持において本質的となる多粒子種プラズマにおける乱流輸送・分布形成特性を解析することを目的とする。一連の研究から、(1)乱流輸送に対するイオン質量が与える影響(同位体効果)、(2)ゾーナルフロー生成に対する磁場構造依存性、(3)LHD実験における同位体混合プラズマに対する微視的不安定性解析、(4)トカマクプラズマに対する高精度縮約乱流輸送モデルの構築、(5)連成シミュレーションの高効率化などの新たな知見を含む成果が得られた。これらは、巨視的輸送方程式系と局所ジャイロ運動論方程式の連成計算モデルから成る連成大域乱流輸送コードの開発・拡張の基盤的な成果を成す。

研究成果の学術的意義や社会的意義

国際熱核融合実験炉(ITER)において核燃焼プラズマを達成し、その後の原型炉で持続的な核融合出力を実現するためには、電子や燃料イオン(D:重水素, T:三重水素)の温度分布に加え、各々の燃料イオン密度やHe灰分布、不純物分布等を高い精度で計測しつつ分布/加熱制御を確立することが不可欠となる。本研究によって、これらに対するいくつかの基盤的な知見が創出されている。特に、乱流輸送に関する同位体効果は40年以上にわたる未解決問題であり、その全容解明に資する理論的知見が得られた点や実験による検証が進展している点は、核融合科学・プラズマ物理学の進展に大きく貢献している。

研究成果

• [国際共同研究] University of Oxford(英国)
• [国際共同研究] Max-Planck Institute for Plasma Physics(ドイツ)
• [国際共同研究] Max-Planck Institute for Plasma Physics(ドイツ)
• [国際共同研究] マックス・プランクプラズマ物理研究所(ドイツ)
• [雑誌論文] Impact of shaping on microstability in high-performance tokamak plasmas (2021)
  • 著者名/発表者名: Beeke Oliver、Barnes Michael、Romanelli Michele、Nakata Motoki、Yoshida Maiko
  • 雑誌名: Nuclear Fusion 巻: 61 号: 6 ページ: 066020-066020
  • DOI: 10.1088/1741-4326/abf660
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Gyrokinetic simulations for turbulent transport of multi-ion-species plasmas in helical systems (2020)
  • 著者名/発表者名: Nunami M., Nakata M., Toda S., Sugama H.
  • 雑誌名: Physics of Plasmas 巻: 27 号: 5 ページ: 052501-052501
  • DOI: 10.1063/1.5142405
  • NAID: 120007119911
  • 査読あり
• [雑誌論文] Global calculation of neoclassical impurity transport including the variation of electrostatic potential (2020)
  • 著者名/発表者名: Fujita Keiji、Satake S.、Kanno R.、Nunami M.、Nakata M.、Garc?a-Rega?a J. M.、Velasco J. L.、Calvo I.
  • 雑誌名: Journal of Plasma Physics 巻: 86 号: 3 ページ: 905860319-905860319
  • DOI: 10.1017/s0022377820000598
  • NAID: 130008157814
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Magnetic shear effect on plasma transport at T e/T i ? 1 through electron cyclotron heating in DIII-D plasmas (2020)
  • 著者名/発表者名: Yoshida M.、McKee G.R.、Petty C.C.、Grierson B.A.、Nakata M.、Rost C.、Rhodes T.L.、Ernst D.R.、Garofalo A.M.
  • 雑誌名: Nuclear Fusion 巻: 61 号: 1 ページ: 016013-016013
  • DOI: 10.1088/1741-4326/abbfe7
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Characteristics of plasma parameters and turbulence in the isotope-mixing and the non-mixing states in hydrogen?deuterium mixture plasmas in the large helical device (2020)
  • 著者名/発表者名: Ida K.、Yoshinuma M.、Tanaka K.、Nakata M.、Kobayashi T.、Fujiwara Y.、Sakamoto R.、Motojima G.、Masuzaki S.、the LHD Experiment Group
  • 雑誌名: Nuclear Fusion 巻: 61 号: 1 ページ: 016012-016012
  • DOI: 10.1088/1741-4326/abbf62
  • NAID: 120007116727
  • 査読あり
• [雑誌論文] Transition between Isotope-Mixing and Nonmixing States in Hydrogen-Deuterium Mixture Plasmas (2020)
  • 著者名/発表者名: Ida K.、Nakata M.、Tanaka K.、Yoshinuma M.、Fujiwara Y.、Sakamoto R.、Motojima G.、Masuzaki S.、Kobayashi T.、Yamasaki K.
  • 雑誌名: Physical Review Letters 巻: 124 号: 2 ページ: 052002-052002
  • DOI: 10.1103/physrevlett.124.025002
  • NAID: 120007116715
  • 査読あり
• [雑誌論文] Consideration of the Influence of Coil Misalignment on the Chinese First Quasi-Axisymmetric Stellarator Magnetic Configuration (2019)
  • 著者名/発表者名: SHIMIZU Akihiro、LIU Haifeng、KINOSHITA Shigeyoshi、ISOBE Mitsutaka、OKAMURA Shoichi、OGAWA Kunihiro、NAKATA Motoki、SATAKE Shinsuke、SUZUKI Chihiro、XIONG Guozhen、XU Yuhong、LIU Hai、ZHANG Xin、HUANG Jie、WANG Xianqu、TANG Changjian、YIN Dapeng、WAN Yi、CFQS Team
  • 雑誌名: Plasma and Fusion Research 巻: 14 号: 0 ページ: 3403151-3403151
  • DOI: 10.1585/pfr.14.3403151
  • NAID: 130007730090
  • ISSN: 1880-6821
  • 年月日: 2019-09-25
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Transport characteristics of deuterium and hydrogen plasmas with ion internal transport barrier in the Large Helical Device (2019)
  • 著者名/発表者名: Nagaoka K.、Takahashi H.、Nakata M.、Satake S.、Tanaka K.、Mukai K.、Yokoyama M.、Nakano H.、Murakami S.、Ida K.、Yoshinuma M.、Ohdachi S.、Bando T.、Nunami M.、Seki R.、Yamaguchi H.、Osakabe M.、Morisaki T.、the LHD Experiment Group
  • 雑誌名: Nuclear Fusion 巻: 59 号: 10 ページ: 106002-106002
  • DOI: 10.1088/1741-4326/ab2d02
  • NAID: 120007176948
  • 査読あり
• [雑誌論文] Extended investigations of isotope effects on ECRH plasma in LHD (2019)
  • 著者名/発表者名: Tanaka K、Nakata M、Ohtani Y、Tokuzawa T、Yamada H、Warmer F、Nunami M、Satake S、Tala T、Tsujimura T、Takemura Y、Kinoshita T、Takahashi H、Yokoyama M、Seki R、Igami H、Yoshimura Y、Kubo S、Shimozuma T、Akiyama T、Yamada I、Yasuhara R、Funaba H、Yoshinuma et al
  • 雑誌名: Plasma Physics and Controlled Fusion 巻: 62 号: 2 ページ: 024006-024006
  • DOI: 10.1088/1361-6587/ab5bae
  • NAID: 120007126855
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Isotope effects in self-organization of internal transport barrier and concomitant edge confinement degradation in steady-state LHD plasmas (2019)
  • 著者名/発表者名: Kobayashi T.、Takahashi H.、Nagaoka K.、Sasaki M.、Nakata M.、Yokoyama M.、Seki R.、Yoshinuma M.、Ida K.
  • 雑誌名: Scientific Reports 巻: 9 号: 1 ページ: 1-8
  • DOI: 10.1038/s41598-019-52271-w
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Isotope effects on energy, particle transport and turbulence in electron cyclotron resonant heating plasma of the Large Helical Device (2019)
  • 著者名/発表者名: K. Tanaka, Y. Ohtani, M. Nakata, F. Warmer, T. Tsujimura, Y. Takemura, T. Kinoshita, H. Takahashi, M. Yokoyama, R. Seki, H. Igami, Y. Yoshimura, S. Kubo, T. Shimozuma, T. Tokuzawa, T. Akiyama, I. Yamada, R. Yasuhara, H. Funaba, M. Yoshinuma, K. Ida, M. Goto, et al
  • 雑誌名: Nuclear Fusion 巻: 59 号: 12 ページ: 126040-126040
  • DOI: 10.1088/1741-4326/ab4237
  • NAID: 120007126859
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Neural-network-based semi-empirical turbulent particle transport modelling founded on gyrokinetic analyses of JT-60U plasmas (2019)
  • 著者名/発表者名: Narita E.、Honda M.、Nakata M.、Yoshida M.、Hayashi N.、Takenaga H.
  • 雑誌名: Nuclear Fusion 巻: 59 号: 10 ページ: 106018-106018
  • DOI: 10.1088/1741-4326/ab2f43
  • 査読あり
• [雑誌論文] Modeling of turbulent particle and heat transport in helical plasmas based on gyrokinetic analysis (2019)
  • 著者名/発表者名: Toda S.、Nakata M.、Nunami M.、Ishizawa A.、Watanabe T.-H.、Sugama H.
  • 雑誌名: Physics of Plasmas 巻: 26 号: 1 ページ: 012510-012510
  • DOI: 10.1063/1.5058720
  • NAID: 120007126285
  • 査読あり
• [雑誌論文] Implementation of a gyrokinetic collision operator with an implicit time integration scheme and its computational performance (2019)
  • 著者名/発表者名: Maeyama S.、Watanabe T.-H.、Idomura Y.、Nakata M.、Nunami M.
  • 雑誌名: Computer Physics Communications 巻: 235 ページ: 9-15
  • DOI: 10.1016/j.cpc.2018.07.015
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Gyrokinetic microinstability analysis of high-T i and high-T e isotope plasmas in Large Helical Device (2018)
  • 著者名/発表者名: Nakata Motoki、Nagaoka Kenichi、Tanaka Kenji、Takahashi Hiromi、Nunami Masanori、Satake Shinsuke、Yokoyama Masayuki、Warmer Felix、the LHD Experiment Group
  • 雑誌名: Plasma Physics and Controlled Fusion 巻: 61 号: 1 ページ: 014016-014016
  • DOI: 10.1088/1361-6587/aadd6a
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Realization of high T i plasmas and confinement characteristics of ITB plasmas in the LHD deuterium experiments (2018)
  • 著者名/発表者名: Takahashi H.、Nagaoka K.、Mukai K.、Yokoyama M.、Murakami S.、Ohdachi S.、Bando T.、Narushima Y.、Nakano H.、Osakabe M.、Ida K.、Yoshinuma M.、Seki R.、Yamaguchi H.、Tanaka K.、Nakata M.、Warmer F.、et al.
  • 雑誌名: Nuclear Fusion 巻: 58 号: 10 ページ: 106028-106028
  • DOI: 10.1088/1741-4326/aad87e
  • NAID: 120007176950
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Simulation studies on temperature profile stiffness in ITG turbulent transport of helical plasmas for flux-matching technique (2018)
  • 著者名/発表者名: Nunami Masanori、Nakata Motoki、Toda Shinichiro、Ishizawa Akihiro、Kanno Ryutaro、Sugama Hideo
  • 雑誌名: Physics of Plasmas 巻: 25 号: 8 ページ: 082504-082504
  • DOI: 10.1063/1.5036564
  • NAID: 120007119912
  • 査読あり
• [雑誌論文] Energy confinement of hydrogen and deuterium electron-root plasmas in the Large Helical Device (2018)
  • 著者名/発表者名: Warmer Felix、Takahashi H.、Tanaka K.、Yoshimura Y.、Beidler C.D.、Peterson B.、Igami H.、Ido T.、Seki R.、Nakata M.、Yokoyama M.、et al.
  • 雑誌名: Nuclear Fusion 巻: 58 号: 10 ページ: 106025-106025
  • DOI: 10.1088/1741-4326/aad611
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Time dependent neutron emission rate analysis for neutral-beam-heated deuterium plasmas in a helical system and tokamaks (2018)
  • 著者名/発表者名: Ogawa Kunihiro、Isobe Mitsutaka、Nishitani Takeo、Seki Ryosuke、Nuga Hideo、Murakami Sadayoshi、Nakata Motoki、Pu Neng、Osakabe Masaki、Jo Jungmin、Cheon MunSeong、Kim Junghee、Zhong Guoqiang、Xiao Min、Hu Liqun、LHD Experiment Group1
  • 雑誌名: Plasma Physics and Controlled Fusion 巻: 60 号: 9 ページ: 095010-095010
  • DOI: 10.1088/1361-6587/aad4b7
  • NAID: 120007116707
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Gyrokinetic modelling of the quasilinear particle flux for plasmas with neutral-beam fuelling (2018)
  • 著者名/発表者名: Narita E., Honda M., Nakata M., Yoshida M., Takenaga H., Hayashi N.
  • 雑誌名: Plasma Physics and Controlled Fusion 巻: 60 号: 2 ページ: 025027-025027
  • DOI: 10.1088/1361-6587/aaa02d
  • 査読あり
• [雑誌論文] Time-resolved triton burnup measurement using the scintillating fiber detector in the Large Helical Device (2018)
  • 著者名/発表者名: Ogawa K., Isobe M., Nishitani T., Murakami S., Seki R., Nakata M., Takada E., Kawase H., Pu N., LHD Experiment Group
  • 雑誌名: Nuclear Fusion 巻: 58 号: 3 ページ: 034002-034002
  • DOI: 10.1088/1741-4326/aaa585
  • NAID: 120007116710
  • 査読あり
• [雑誌論文] Isotope Effects on Trapped-Electron-Mode Driven Turbulence and Zonal Flows in Helical and Tokamak Plasmas (2017)
  • 著者名/発表者名: M. Nakata, M. Nunami, H. Sugama, and T.-H. Watanabe
  • 雑誌名: Physical Review Letters 巻: 118 号: 16 ページ: 165002-165002
  • DOI: 10.1103/physrevlett.118.165002
  • NAID: 120007186427
  • 査読あり / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Cross-scale interactions between turbulence driven by electron and ion temperature gradients via sub-ion-scale structures (2017)
  • 著者名/発表者名: Maeyama S., Watanabe T.-H., Idomura Y., Nakata M., Ishizawa A., Nunami M.
  • 雑誌名: Nuclear Fusion 巻: 57 号: 6 ページ: 066036-066036
  • DOI: 10.1088/1741-4326/aa687c
  • 査読あり
• [雑誌論文] The effect of transient density profile shaping on transport in large stellarators and heliotrons (2017)
  • 著者名/発表者名: A. Dinklage, R. Sakamoto, M. Yokoyama, J. Baldzuhn, C.D. Beidler, S.Morita
  • 雑誌名: Nuclear Fusion 巻: 57 号: 6 ページ: 066016-066016
  • DOI: 10.1088/1741-4326/aa6775
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Extension of operational regime in high-temperature plasmas and effect of ECRH on ion thermal transport in the LHD (2017)
  • 著者名/発表者名: Takahashi H., Nagaoka K., Murakami S., Osakabe M., Nakano H., Ida K., Tsujimura T. I., Kubo S., Kobayashi T., Tanaka K., Seki R., Takeiri Y., Yokoyama M., Maeta S., Nakata M. et al
  • 雑誌名: Nuclear Fusion 巻: 57 号: 8 ページ: 086029-086029
  • DOI: 10.1088/1741-4326/aa754b
  • NAID: 120007176952
  • 査読あり
• [雑誌論文] Predictions of toroidal rotation and torque sources arising in non-axisymmetric perturbed magnetic fields in tokamaks (2017)
  • 著者名/発表者名: M. Honda, S. Satake, Y. Suzuki, K. Shinohara, M. Yoshida, E. Narita, M. Nakata, N. Aiba, J. Shiraishi, N. Hayashi, G. Matsunaga, A. Matsuyama and S. Ide
  • 雑誌名: Nuclear Fusion 巻: 57 号: 11 ページ: 116050-116050
  • DOI: 10.1088/1741-4326/aa7e90
  • 査読あり
• [雑誌論文] A Reduced Transport Model for Ion Heat Diffusivity by Gyro-Kinetic Analysis with Kinetic Electrons in Helical Plasmas (2017)
  • 著者名/発表者名: S. Toda, M. Nakata, M. Nunami, A. Ishizawa, T.-H. Watanabe, H. Sugama
  • 雑誌名: Plasma and Fusion Research 巻: 12 号: 0 ページ: 1303035-1303035
  • DOI: 10.1585/pfr.12.1303035
  • NAID: 130006191002
  • ISSN: 1880-6821
  • 査読あり / オープンアクセス
• [学会発表] 燃焼プラズマにおけるゾーナルフローの活性化と乱流抑制 - 数理・情報・物理の融合研究による新展開 - (2021)
  • 著者名/発表者名: 仲田資季
  • 学会等名: 第26回NEXT研究会
  • 招待講演
• [学会発表] 乱流最適化配位創成に向けた乱流輸送モデリング (2020)
  • 著者名/発表者名: 仲田資季, 松岡清吉, 沼波政倫
  • 学会等名: 日本物理学会2020年秋季大会
• [学会発表] 乱流抑制配位創成に向けた乱流モデリングおよび数理計画探索 (2020)
  • 著者名/発表者名: 仲田資季, 松岡清吉, 沼波政倫
  • 学会等名: 第37回プラズマ・核融合学会年会
• [学会発表] Exploration of next generation three-dimensional magnetic configuration with enhanced zonal flows (2020)
  • 著者名/発表者名: M. Nakata, S. Matsuoka, M. Nunami
  • 学会等名: The 29th International Toki Conference on Plasma and Fusion Research
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Extended proxy modeling for stellarator optimization with nonlinear turbulence interactions and zonal flows (2019)
  • 著者名/発表者名: M. Nakata
  • 学会等名: Joint Institute for Fusion Theory Workshop 2019
  • 国際学会
• [学会発表] Extended proxy modeling for turbulence optimization (2019)
  • 著者名/発表者名: M. Nakata
  • 学会等名: 22nd International Stellarator-Heliotron Workshop
  • 国際学会
• [学会発表] 先進3次元磁場配位最適化に向けた乱流モデリング (2019)
  • 著者名/発表者名: 仲田資季
  • 学会等名: 第36回プラズマ・核融合学会年会
• [学会発表] Turbulence simulation studies for 3D helical plasmas and future prospects in advanced optimization (2019)
  • 著者名/発表者名: M. Nakata
  • 学会等名: Max-Planck Princeton Center Workshop 2019
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] 燃焼プラズマを見据えた大規模乱流輸送シミュレーション研究 (2019)
  • 著者名/発表者名: 仲田資季
  • 学会等名: 第22回若手科学者によるプラズマ研究会
  • 招待講演
• [学会発表] Isotope effects on turbulent transport and confinement in helical and tokamak plasmas: theory and experiment (2018)
  • 著者名/発表者名: M. Nakata
  • 学会等名: EPS 45th Conference on Plasma Physics
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Turbulent transport and Zonal flow generation in Quasi-Axisymmetric Stellarator (2018)
  • 著者名/発表者名: M. Nakata
  • 学会等名: ITC27 & APPTC2018
  • 国際学会
• [学会発表] LHDにおける高イオン温度および高電子温度同位体プラズマの乱流輸送シミュレーション (2018)
  • 著者名/発表者名: 仲田資季
  • 学会等名: 第35回プラズマ・核融合学会 年会
• [学会発表] Gyrokinetic simulations on turbulent transport of D-T ions and He-ash in ITER plasmas (2017)
  • 著者名/発表者名: M. Nakata
  • 学会等名: 8th IAEA Technical Meeting: Theory of Plasma Instabilities
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Gyrokinetic Vlasov simulations of ITG/TEM turbulence in tokamak and helical plasmas with isotope and impurity ions (2017)
  • 著者名/発表者名: M. Nakata
  • 学会等名: ICNSP2017
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Isotope effects on TEM and ITG driven turbulence and zonal flows in tokamak and stellarators (2017)
  • 著者名/発表者名: M. Nakata
  • 学会等名: 21st International Stellarator-Heliotron Workshop
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Flux-driven global transport simulations based on joint approach with gyrokinetic and transport solvers (2017)
  • 著者名/発表者名: M. Nakata
  • 学会等名: 7th Asia Pacific Transport Working Group Conference
  • 国際学会
• [学会発表] Multi-scale coupled simulations of global turbulent transport towards burning plasmas (2017)
  • 著者名/発表者名: M. Nakata
  • 学会等名: Plasma Conference 2017
  • 国際学会
• [備考] 混ざり合うプラズマを世界で初めて観測
  • URL: https://www.nifs.ac.jp/press/200120.html
• [備考] 第７回 自然科学研究機構若手研究者賞 授賞式及び記念講演を開催
  • URL: https://www.nins.jp/site/connection/1543.html
• [備考] イオン質量による乱流抑制のメカニズムを解明
  • URL: http://www.nifs.ac.jp/press/170410.html