第一原理乱流シミュレーションによる核燃焼プラズマ中の燃料・不純物輸送研究

• 研究課題/領域番号: 26820401
• 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, 助教 (40709440)
• 研究期間 (年度): 2014-04-01 – 2017-03-31
• 研究課題ステータス: 完了 (2016年度)
• 配分額: 2,340千円 (直接経費: 1,800千円、間接経費: 540千円); 2016年度: 650千円 (直接経費: 500千円、間接経費: 150千円); 2015年度: 1,040千円 (直接経費: 800千円、間接経費: 240千円); 2014年度: 650千円 (直接経費: 500千円、間接経費: 150千円)
• キーワード: プラズマ / 核融合 / ジャイロ運動論 / 乱流 / 不純物輸送 / 核融合プラズマ / 乱流輸送 / 同位体効果 / プラズマ乱流 / 多粒子種乱流輸送シミュレ ーション / 多粒子種乱流輸送シミュレーション

研究成果の概要

本研究では核融合プラズマの第一原理モデルである５次元ジャイロ運動論に基づいた多粒子種乱流シミュレーションにより、核融合炉炉心プラズマ中の燃料および不純物輸送過程の解析を実施した。複数のイオン種で構成される燃焼プラズマの解析を実現する多粒子種シミュレーションモデルを開発し、それらを活用した大規模数値シミュレーションを実施した。一連の研究により、トカマク実験データとの比較によるシミュレーションコードの予測精度の検証が進展するとともに、乱流を駆動する微視的不安定性に対する水素同位体質量の依存性や、燃焼プラズマ乱流における燃料イオンおよびヘリウム灰の輸送特性に関する理論的解明が進展している。

研究成果

• [雑誌論文] Microinstabilities in hydrogen- and helium-dominated multi-ion-species plasmas in LHD (2017)
  • 著者名/発表者名: M Nunami, M Nakata, H Sugama, K Tanaka and S Toda
  • 雑誌名: Plasma Phys. Control Fusion 巻: 59 号: 4 ページ: 1-8
  • DOI: 10.1088/1361-6587/aa5aa6
  • NAID: 120007119913
  • 査読あり
• [雑誌論文] Magnetic shear effects on plasma transport and turbulence at high electron to ion temperature ratio in DIII-D and JT-60U plasmas (2017)
  • 著者名/発表者名: M. Yoshida, G. R. McKee, M. Murakami, B. A. Grierson, M. Nakata, E. M. Davis, A. Marinoni, M. Ono, T. L. Rhodes, C. Sung, L. Schmitz, C. C. Petty9, J.R. Ferron, F. Turco, A. M. Garofalo, C. T. Holcomb, C. M. Collins, W. M. Solomon
  • 雑誌名: Nuclear Fusion 巻: 57 号: 5 ページ: 1-10
  • DOI: 10.1088/1741-4326/aa611e
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Strong Suppression of Impurity Accumulation in Steady-State Hydrogen Discharges with High Power NBI Heating on LHD (2017)
  • 著者名/発表者名: Y. Nakamura, N. Tamura, M. Yoshinuma, C. Suzuki, S. Yoshimura, M. Kobayashi, M. Yokoyama, M. Nakata, K. Nagaoka, K. Tanaka, B. J. Peterson, K. Ida, M. Osakabe, T. Morisaki and the LHD Experiment Group
  • 雑誌名: Nuclear Fusion 巻: 57 号: 5 ページ: 1-10
  • DOI: 10.1088/1741-4326/aa6187
  • NAID: 120007186433
  • 査読あり
• [雑誌論文] Validation studies of gyrokinetic ITG and TEM turbulence simulations in JT-60U tokamak using multiple flux matching (2016)
  • 著者名/発表者名: M. Nakata, M. Honda, M. Yoshida, H. Urano, M. Nunami, S. Maeyama, T.H. Watanabe, H. Sugama
  • 雑誌名: Nuclear Fusion 巻: 56 号: 8 ページ: 1-11
  • DOI: 10.1088/0029-5515/56/8/086010
  • NAID: 120007181931
  • 査読あり
• [雑誌論文] Conservation laws for collisional and turbulent transport processes in toroidal plasmas with large mean flows (2016)
  • 著者名/発表者名: H. Sugama, M. Nunami, M. Nakata, and T.-H. Watanabe
  • 雑誌名: Physics of Plasmas 巻: 24 号: 2 ページ: 1-5
  • DOI: 10.1063/1.4975075
  • NAID: 120007124608
  • 査読あり / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Impacts of hydrogen isotope species on microinstabilities in helical plasmas (2016)
  • 著者名/発表者名: M. Nakata, M. Nunami, T. -H. Watanabe, and H. Sugama
  • 雑誌名: Plasma Physics and Controlled Fusion 巻: 58 ページ: 1-9
  • NAID: 120007186438
  • 査読あり / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Benchmark of Electromagnetic Gyrokinetic Codes in High Performance Fusion Plasma (2016)
  • 著者名/発表者名: S. Maeyama, T.-H. Watanabe, H. Doerk, M. Nakata, and A. Ishizawa
  • 雑誌名: Plasma and Fusion Research 巻: 11 号: 0 ページ: 2403011-2403011
  • DOI: 10.1585/pfr.11.2403011
  • NAID: 130005395311
  • ISSN: 1880-6821
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著 / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Improved collision operator for plasma kinetic simulations with multi-species ions and electrons (2015)
  • 著者名/発表者名: Motoki Nakata, Masanori Nunami, Tomo-Hiko Watanabe, and Hideo Sugama
  • 雑誌名: Computer Physics Communications 巻: 197 ページ: 61-72
  • DOI: 10.1016/j.cpc.2015.08.007
  • 査読あり / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Integrated modelling of toroidal rotation with the 3D non-local drift-kinetic code and boundary models for JT-60U analyses and predictive simulations (2015)
  • 著者名/発表者名: M. Honda, S. Satake, Y. Suzuki, M. Yoshida, N. Hayashi, K. Kamiya, A. Matsuyama, K. Shinohara, G. Matsunaga, M. Nakata, S. Ide, H. Urano
  • 雑誌名: Nuclear Fusion 巻: 55 号: 7 ページ: 1-11
  • DOI: 10.1088/0029-5515/55/7/073033
  • 査読あり / 国際共著 / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Effects of toroidal rotation shear and magnetic shear on thermal and particle transport in plasmas with electron cyclotron heating on JT-60U (2015)
  • 著者名/発表者名: M. Yoshida, M. Honda, E. Narita, N. Hayashi, H. Urano, M. Nakata, N. Miyato, H. Takenaga, S. Ide and Y. Kamada
  • 雑誌名: Nuclear Fusion 巻: 55 号: 7 ページ: 1-9
  • DOI: 10.1088/0029-5515/55/7/073014
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Roles of argon seeding on energy confinement and pedestal structure in JT-60U (2015)
  • 著者名/発表者名: H. Urano
  • 雑誌名: Nuclear Fusion 巻: 55 号: 3 ページ: 033010-033010
  • DOI: 10.1088/0029-5515/55/3/033010
  • 査読あり
• [雑誌論文] Development of Linearized Collision Operator for Multiple Ion Species in Gyrokinetic Flux-tube Simulations (2015)
  • 著者名/発表者名: M. Nunami, M. Nakata, T. -H. Watanabe, and H. Sugama
  • 雑誌名: Plasma Fusion Research 巻: 10 ページ: 1403058-1403058
  • NAID: 130005286907
  • 査読あり / オープンアクセス / 謝辞記載あり
• [学会発表] ヘリカルおよびトカマクプラズマにおける捕捉電子モード駆動乱流輸送の同位体質量効果 (2017)
  • 著者名/発表者名: 仲田 資季, 沼波 政倫, 洲鎌 英雄, 渡邉 智彦
  • 学会等名: 日本物理学会 第７２回年次大会
  • 発表場所: 大阪大学
  • 年月日: 2017-03-17
• [学会発表] Multi-species gyrokinetic Vlasov simulations of ITG and TEM driven turbulence and zonal flows in tokamak and helical plasmas (2016)
  • 著者名/発表者名: M. Nakata
  • 学会等名: APPC-AIP2016
  • 発表場所: Brisbane, Australia
  • 年月日: 2016-12-04
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Multi-species ITG-TEM driven turbulent transport of D-T ions and He-ash in ITER burning plasmas (2016)
  • 著者名/発表者名: M. Nakata, M. Honda, M. Nunami, T. -H. Watanabe and H. Sugama
  • 学会等名: 25th IAEA Fusion Energy Conference
  • 発表場所: Kyoto, Japan
  • 年月日: 2016-10-13
  • 国際学会
• [学会発表] Isotope impact on TEM driven turbulence and transport in stellarator plasmas (2016)
  • 著者名/発表者名: M. Nakata
  • 学会等名: Gyrokinetic theory working group meeting 2016
  • 発表場所: Madrid, Spain
  • 年月日: 2016-09-26
  • 国際学会
• [学会発表] ペタスケールスーパーコンピュータを活用したシミュレーション研究の進展と展望 (2016)
  • 著者名/発表者名: 仲田資季
  • 学会等名: 第11回核融合エネルギー連合講演会
  • 発表場所: 九州大学
  • 年月日: 2016-07-14
  • 招待講演
• [学会発表] ジャイロ運動論に基づく多粒子種乱流シミュレーションの開発 (2016)
  • 著者名/発表者名: 仲田資季
  • 学会等名: 第５回IFERC-CSC研究会
  • 発表場所: 航空会館、東京
  • 年月日: 2016-01-14
• [学会発表] Multi-species ITG-TEM turbulence simulations in ITER D-T-He plasma (2015)
  • 著者名/発表者名: M. Nakata
  • 学会等名: 第13回核燃焼プラズマ統合コード研究会
  • 発表場所: 九州大学応用力学研究所
  • 年月日: 2015-12-10
• [学会発表] Impact of isotope species and collisionality on ITG and TEM instabilities in helical plasmas (2015)
  • 著者名/発表者名: M. Nakata
  • 学会等名: 閉じ込め・輸送研究会2015
  • 発表場所: 核融合科学研究所
  • 年月日: 2015-12-07
• [学会発表] ITERプラズマにおける燃料イオン・ヘリウム灰のITG-TEM駆動乱流輸送 (2015)
  • 著者名/発表者名: 仲田資季、本多充、沼波政倫
  • 学会等名: プラズマ・核融合学会第３２回年会
  • 発表場所: 名古屋大学
  • 年月日: 2015-11-24
• [学会発表] Gyrokinetic flux-matching validation in JT60U L mode plasma (2015)
  • 著者名/発表者名: M. Nakata
  • 学会等名: 15th ITPA Transport & Confinement topical group meeting
  • 発表場所: Garching, Germany
  • 年月日: 2015-10-21
  • 国際学会
• [学会発表] Impact of isotope species and collisionality on ITG and TEM instabilities in helical plasmas (2015)
  • 著者名/発表者名: M. Nakata, M. Nunami, A. Ishizawa, and H. Sugama
  • 学会等名: 20th International Stellarator-Heliotron Workshop
  • 発表場所: Greifswald, Germany
  • 年月日: 2015-10-05
  • 国際学会
• [学会発表] Gyrokinetic analysis of turbulent heat and particle transport on JT-60U plasmas (2014)
  • 著者名/発表者名: M. Nakata, M. Honda, M. Yoshida, H. Urano, S. Maeyama, M. Nunami, and T. -H. Watanabe
  • 学会等名: the 25th IAEA Fusion Energy Conference
  • 発表場所: St.Petersburg, Russia
  • 年月日: 2014-10-13 – 2014-10-18
• [学会発表] Gyrokinetic Vlasov simulations of ITG-TEM driven turbulent transport on realistic tokamak equilibrium (2014)
  • 著者名/発表者名: M. Nakata, M. Honda, M. Yoshida, H. Urano, S. Maeyama, M. Nunami, and T. -H. Watanabe
  • 学会等名: 11th Asia Pacific Plasma Theory Conference
  • 発表場所: Jeju, Korea
  • 年月日: 2014-07-01 – 2014-07-04
  • 招待講演
• [学会発表] ITER/DEMOを見据えた実平衡トカマクプラズマの第一原理乱流輸送シミュレーション (2014)
  • 著者名/発表者名: 仲田 資季, 本多 充,吉田 麻衣子, 浦野 創, 前山 伸也, 沼波政倫, 渡邉智彦
  • 学会等名: 第10回核融合エネルギー連合講演会
  • 発表場所: つくば国際会議場
  • 年月日: 2014-06-19 – 2014-06-20
• [備考] NIFSプレスリリース「最新鋭スーパーコンピュータにより核融合研究が加速」
  • URL: http://www.nifs.ac.jp/press/151111.html