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第一原理シミュレーションと機械学習によるプラズマ分布形成の定量的予測

研究課題

研究課題/領域番号 20K03907
研究種目

基盤研究(C)

配分区分基金
応募区分一般
審査区分 小区分14020:核融合学関連
研究機関核融合科学研究所

研究代表者

沼波 政倫  核融合科学研究所, 研究部, 教授 (40397203)

研究分担者 松岡 清吉  核融合科学研究所, 研究部, 助教 (10609986)
仲田 資季  核融合科学研究所, 研究部, 准教授 (40709440)
佐竹 真介  核融合科学研究所, 研究部, 准教授 (70390630)
研究期間 (年度) 2020-04-01 – 2025-03-31
研究課題ステータス 交付 (2023年度)
配分額 *注記
4,160千円 (直接経費: 3,200千円、間接経費: 960千円)
2023年度: 780千円 (直接経費: 600千円、間接経費: 180千円)
2022年度: 910千円 (直接経費: 700千円、間接経費: 210千円)
2021年度: 910千円 (直接経費: 700千円、間接経費: 210千円)
2020年度: 1,560千円 (直接経費: 1,200千円、間接経費: 360千円)
キーワードプラズマ乱流輸送 / ジャイロ運動論 / 第一原理シミュレーション / 機械学習 / 核融合プラズマ / 第一原理計算 / 乱流輸送 / 新古典輸送
研究開始時の研究の概要

磁場閉じ込めプラズマでは、乱流や粒子衝突に伴う非線形の輸送現象に支配されながら、粒子種ごとに異なる形状を持つ複雑なプラズマ分布が形成されるが、その形成機構の解明が重要な課題となっている。本研究では、乱流・衝突性(新古典)輸送の第一原理計算と機械学習の方法を融合させ、新しいプラズマ分布の予測手法を確立する。本手法を用いた解析の対象を、既存の実験装置、国際熱核融合実験炉 (ITER)、新しい装置設計へと発展させていくことで、プラズマ分布の定量的予測を通じて、多粒子種プラズマ分布の形成機構と磁場閉じ込め核融合炉にとっての最適な分布の形成条件を明らかにする。

研究実績の概要

本研究課題は、磁場閉じ込め方式の核融合炉開発研究において、高温プラズマの閉じ込め性能に直結するプラズマ輸送現象に着目し、数値シミュレーションや数理モデル、データ解析手法を用いることで、輸送を低減し得るプラズマ分布を見出すことを目的に据えている。特に、輸送の大半を占めるプラズマ乱流による輸送をジャイロ運動論に基づいた第一原理計算とモデリングを中心に解析を進めている。本課題以前の研究によって、輸送係数や乱流スペクトルなどの定量的な再現が実現してきているが、例えば、複数粒子種から構成されている現実的な系では、異なる輸送特性に起因する複雑な物理過程により、実際の輸送現象や分布形成には未解明な課題が多い。さらに、このような系を第一原理で扱うには膨大な計算量が必要となり、単純に第一原理計算で対応することは現実的に困難である。こうした中で本研究は、簡約化された乱流輸送モデルを基礎にして、第一原理計算のみに依らずに効率的にプラズマ輸送予測を実現し、プラズマの分布形成の物理を解明することを目指している。令和5年度では、簡約輸送モデルをさらに高精度化するため、モデルの基礎となる乱流・帯状流・輸送係数に関する数理関係式に対して、時間発展までを含めた拡張を引き続き進め、各成分の時間発展を簡単な方程式系として表現することを試みた。さらに、各成分の時間発展を含めた数理モデリングとモデル式中のパラメータから構成されるパラメータ空間の構造解析から、数理関係式の関数形を制約することも試みた。

現在までの達成度 (区分)
現在までの達成度 (区分)

3: やや遅れている

理由

当初予定で最終年度であった令和5年度は、前年度までに取り組んできた本研究の主要部分を占める簡約乱流輸送モデルの高精度化を基礎として研究を進めた。ここでの高精度化は、乱流振幅、帯状流振幅、輸送係数を変数とする数理関係式を、ジャイロ運動論シミュレーションで得た各変数の時間発展自体に対して当てはめ、モデルを再構成するものであった。前年度において、乱流や帯状流が相互に時間的遅れを伴って発展していくことに着目した時間遅れ効果の導入によってモデルの高精度化に取り組んでいたが、令和5年度は、その時間発展から低周波成分を取り出した簡単な方程式系による表現を試みた。一方で、上述の乱流振幅、帯状流、輸送係数といった従来の変数ではなく、モデルの数理式を規定する係数や指数といったパラメータが張る空間上でモデル精度を評価することで、関係式を構成する関数形の尤度を議論できることも分かった。
以上のように、本課題の主要部である簡約輸送モデルの高精度化には一定の成果が得られた。一方で、プラズマ分布形成に関する解析は継続して進めており、上記の達成度とした。

今後の研究の推進方策

令和5年度において、本課題の主要課題の一つである簡約化輸送モデルの高精度化に対して、時間発展データに着目することで、モデルの基礎となる数理関係式の拡張と精度向上に取り組んだ。特に、数理関係式を構成する係数や指数などのパラメータが張る空間上でのモデルが持つ特徴的な構造に着目して、数理関係式の関数形を議論できることを示した。また、シミュレーションでの各変数の時間発展を簡単な方程式系で表現した。これらの結果を受けて、延長後の最終年度(令和6年度)では、プラズマ輸送における普遍的な特性を考慮したより一般的な輸送評価を用いてプラズマ分布形成の物理機構の解明を目指す。

報告書

(4件)
  • 2023 実施状況報告書
  • 2022 実施状況報告書
  • 2021 実施状況報告書
  • 2020 実施状況報告書
  • 研究成果

    (29件)

すべて 2024 2023 2022 2021 2020 その他

すべて 国際共同研究 (2件) 雑誌論文 (11件) (うち国際共著 3件、 査読あり 10件、 オープンアクセス 4件) 学会発表 (15件) (うち国際学会 10件、 招待講演 3件) 備考 (1件)

  • [国際共同研究] Max Planck Institute for Plasma Physics(ドイツ)

    • 関連する報告書
      2021 実施状況報告書
  • [国際共同研究] Max Planck Institute for Plasma Physics(ドイツ)

    • 関連する報告書
      2020 実施状況報告書
  • [雑誌論文] A simplified model to estimate nonlinear turbulent transport by linear dynamics in plasma turbulence2023

    • 著者名/発表者名
      Nakayama Tomonari、Nakata Motoki、Honda Mitsuru、Narita Emi、Nunami Masanori、Matsuoka Seikichi
    • 雑誌名

      Scientific Reports

      巻: 13 号: 1 ページ: 2319-2319

    • DOI

      10.1038/s41598-023-29168-w

    • 関連する報告書
      2022 実施状況報告書
    • 査読あり / オープンアクセス
  • [雑誌論文] A Novel Approach for Data Analysis Based on Visualization of Phase Space Distribution Function in Plasma Turbulence Simulations2022

    • 著者名/発表者名
      SADAKATA Tsubasa、KITAZAWA Shuta、NUNAMI Masanori、KATAGIRI Takahiro、OHSHIMA Satoshi、NAGAI Toru
    • 雑誌名

      Plasma and Fusion Research

      巻: 17 号: 0 ページ: 2403079-2403079

    • DOI

      10.1585/pfr.17.2403079

    • ISSN
      1880-6821
    • 年月日
      2022-06-22
    • 関連する報告書
      2022 実施状況報告書
    • 査読あり / オープンアクセス
  • [雑誌論文] Relations among Turbulent Fluctuations, Zonal Flows, and Transport Coefficients in Time Series Data of Gyrokinetic Simulations2022

    • 著者名/発表者名
      FUJII Kotaro、NUNAMI Masanori
    • 雑誌名

      Plasma and Fusion Research

      巻: 17 号: 0 ページ: 2403030-2403030

    • DOI

      10.1585/pfr.17.2403030

    • ISSN
      1880-6821
    • 年月日
      2022-05-13
    • 関連する報告書
      2022 実施状況報告書
    • 査読あり / オープンアクセス
  • [雑誌論文] Improved prediction scheme for ion heat turbulent transport2022

    • 著者名/発表者名
      Nunami M., Toda S., Nakata M., and Sugama H.
    • 雑誌名

      Physics of Plasmas

      巻: 29 号: 10 ページ: 102505-102505

    • DOI

      10.1063/5.0103447

    • 関連する報告書
      2022 実施状況報告書
    • 査読あり
  • [雑誌論文] プラズマシミュレータ雷神とプラズマ・核融合研究の進展2021

    • 著者名/発表者名
      石黒静児、沼波政倫、宇佐見俊介
    • 雑誌名

      電気学会誌

      巻: 141 号: 10 ページ: 642-645

    • DOI

      10.1541/ieejjournal.141.642

    • NAID

      130008095149

    • ISSN
      1340-5551, 1881-4190
    • 年月日
      2021-10-01
    • 関連する報告書
      2021 実施状況報告書
  • [雑誌論文] Impact of Magnetic Field Configuration on Heat Transport in Stellarators and Heliotrons2021

    • 著者名/発表者名
      Warmer Felix、Tanaka K.、Xanthopoulos P.、Nunami M.、Nakata M.
    • 雑誌名

      Physical Review Letters

      巻: 127 号: 22

    • DOI

      10.1103/physrevlett.127.225001

    • 関連する報告書
      2021 実施状況報告書
    • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
  • [雑誌論文] Study on impurity hole plasmas by global neoclassical simulation2021

    • 著者名/発表者名
      Fujita Keiji, Satake S., Nunami M., Garcia-Regana J.M., Velasco J.L., Calvo I.
    • 雑誌名

      Nuclear Fusion

      巻: 61 号: 8 ページ: 086025-086025

    • DOI

      10.1088/1741-4326/ac0e72

    • NAID

      120007191902

    • 関連する報告書
      2021 実施状況報告書
    • 査読あり / 国際共著
  • [雑誌論文] The Eulerian variational formulation of the gyrokinetic system in general spatial coordinates2021

    • 著者名/発表者名
      Sugama H.、Matsuoka S.、Nunami M.、Satake S.
    • 雑誌名

      Physics of Plasmas

      巻: 28 号: 2 ページ: 022312-022312

    • DOI

      10.1063/5.0027905

    • NAID

      120007124599

    • 関連する報告書
      2020 実施状況報告書
    • 査読あり
  • [雑誌論文] Gyrokinetic simulations for turbulent transport of multi-ion-species plasmas in helical systems2020

    • 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

    • 関連する報告書
      2020 実施状況報告書
    • 査読あり
  • [雑誌論文] Benchmark of a new multi-ion-species collision operator for δf Monte Carlo neoclassical simulation2020

    • 著者名/発表者名
      Satake Shinsuke、Nataka Motoki、Pianpanit Theerasarn、Sugama Hideo、Nunami Masanori、Matsuoka Seikichi、Ishiguro Seiji、Kanno Ryutaro
    • 雑誌名

      Computer Physics Communications

      巻: 255 ページ: 107249-107249

    • DOI

      10.1016/j.cpc.2020.107249

    • NAID

      120007124615

    • 関連する報告書
      2020 実施状況報告書
    • 査読あり / 国際共著
  • [雑誌論文] Reduced models of turbulent transport in helical plasmas including effects of zonal flows and trapped electrons2020

    • 著者名/発表者名
      Toda S.、Nunami M.、Sugama H.
    • 雑誌名

      Journal of Plasma Physics

      巻: 86 号: 3 ページ: 1-16

    • DOI

      10.1017/s0022377820000495

    • NAID

      120007126284

    • 関連する報告書
      2020 実施状況報告書
    • 査読あり
  • [学会発表] プラズマ流動の解空間に基づく輸送モデリングと予測2024

    • 著者名/発表者名
      沼波政倫, 藤井洸太郎, 中山智成, 仲田資季
    • 学会等名
      日本物理学会 2024年春季大会
    • 関連する報告書
      2023 実施状況報告書
  • [学会発表] Subspace representation of plasma turbulence and its application to transport modeling2023

    • 著者名/発表者名
      M. Nunami
    • 学会等名
      Simons-CIEMAT Joint Meeting on Stellarator Turbulence Optimization
    • 関連する報告書
      2023 実施状況報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] Subspace representation of plasma turbulent transport2023

    • 著者名/発表者名
      M. Nunami, T. Nakayama, K. Fujii, M. Nakata, S. Matsuoka
    • 学会等名
      17th Japan-Korea Workshop on "Modeling and Simulation of Magnetic Fusion"
    • 関連する報告書
      2023 実施状況報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] プラズマ乱流の部分空間表現と輸送モデリングへの応用2023

    • 著者名/発表者名
      沼波政倫, 中山智成, 藤井洸太郎, 仲田資季
    • 学会等名
      第40回プラズマ・核融合学会年会
    • 関連する報告書
      2023 実施状況報告書
  • [学会発表] Subspace modeling for turbulent transport2023

    • 著者名/発表者名
      M. Nunami, T. Nakayama, K. Fujii, M. Nakata, and S. Matsuoka
    • 学会等名
      US-Japan Joint Institute Fusion Theory (JIFT) Collaboration Meeting on Exascale Computing
    • 関連する報告書
      2023 実施状況報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] Challenges in multi-species plasma transport physics in stellarators emerging from simulation and optimization studies2023

    • 著者名/発表者名
      M. Nunami and D. Carralero
    • 学会等名
      23rd Coordinated Working Group Meeting
    • 関連する報告書
      2023 実施状況報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] Application of manifold structure in turbulent transport modeling2022

    • 著者名/発表者名
      M. Nunami, T. Nakayama, K. Fujii, M. Nakata, and S. Matsuoka
    • 学会等名
      The 31st International Toki Conference
    • 関連する報告書
      2022 実施状況報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] プラズマ乱流輸送モデリングに対する高次元多様体を用いた解析2022

    • 著者名/発表者名
      沼波政倫, 中山智成, 藤井洸太郎, 仲田資季, 松岡清吉
    • 学会等名
      日本物理学会 2022年秋季大会
    • 関連する報告書
      2022 実施状況報告書
  • [学会発表] Improved Prediction Scheme for Turbulent Transport by Combining Machine Learning and First-Principle Simulation2021

    • 著者名/発表者名
      M. Nunami, S. Toda, M. Nakta, H. Sugama
    • 学会等名
      28th IAEA Fusion Energy Conference
    • 関連する報告書
      2021 実施状況報告書
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] Recent Progress of Simulation Studies on Turbulent Transport of Helical Plasmas2021

    • 著者名/発表者名
      Masanori Nunami
    • 学会等名
      30th International Toki Conference
    • 関連する報告書
      2021 実施状況報告書
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] プラズマ乱流シミュレーションにおける粒子種間の粒子輸送バランス2021

    • 著者名/発表者名
      沼波政倫, 登田慎一郎, 藤田慶二, 佐竹真介, 仲田資季
    • 学会等名
      日本物理学会 2021年秋季大会
    • 関連する報告書
      2021 実施状況報告書
  • [学会発表] Turbulence Simulations for Stellarator Plasma Transport2020

    • 著者名/発表者名
      M. Nunami
    • 学会等名
      30th Summer School and International Symposium on the Physics of Ionized Gases (SPIG2020)
    • 関連する報告書
      2020 実施状況報告書
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] Pinpoint gyrokinetic simulation for turbulent transport prediction2020

    • 著者名/発表者名
      M. Nunami, S. Toda, H. Sugama
    • 学会等名
      29th International Toki Conferenece (ITC29)
    • 関連する報告書
      2020 実施状況報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] 乱流抑制配位創成に向けた機械学習による乱流輸送モデルの効率的な最適化2020

    • 著者名/発表者名
      沼波政倫, 仲田資季, 登田慎一郎, 洲鎌英雄
    • 学会等名
      第37回 プラズマ・核融合学会 年会
    • 関連する報告書
      2020 実施状況報告書
  • [学会発表] Exploration of next generation three-dimensional magnetic configuration with enhancec zonal flows2020

    • 著者名/発表者名
      M. Nakata, S. Matsuoka, M. Nunami
    • 学会等名
      29th International Toki Conference
    • 関連する報告書
      2020 実施状況報告書
    • 国際学会
  • [備考] 大規模シミュレーションとデータ科学の融合によるプラズマ乱流予測の新展開

    • URL

      https://www.nifs.ac.jp/press/210415_003.html

    • 関連する報告書
      2020 実施状況報告書

URL: 

公開日: 2020-04-28   更新日: 2024-12-25  

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