磁気圏型プラズマにおける自己組織化の物理機構の解明：熱・粒子輸送に着目して

2019 年度 実施状況報告書

• 研究課題/領域番号: 18K13525
• 研究機関: 東京大学
• 研究代表者: 釼持 尚輝 東京大学, 大学院新領域創成科学研究科, 助教 (80781319)
• 研究期間 (年度): 2018-04-01 – 2021-03-31
• キーワード: 磁気圏型プラズマ / 自己組織化 / 熱・粒子輸送 / 核融合 / トムソン散乱計測

研究実績の概要

本研究の目的は，天体磁気圏が高ベータプラズマを自発的に閉じ込めるメカニズムを解明するため，RT-1装置を用い自発的に形成される高ベータプラズマの熱・粒子特性を明らかにすることである．局所電子温度・密度分布を非接触・不干渉かつ幅広い温度密度領域で計測できるレーザートムソン散乱計測やイメージング計測のトモグラフィー法は，本研究目的である，高ベータプラズマの局所計測を基にした輸送の議論に最適である．令和元年度は(1)イメージング計測におけるトモグラフィー法の開発を進めるとともに，(2)粒子・熱輸送特性の調査を行った．
(1)に関しては，深層学習を用いたトモグラフィー法の開発を完了し，RT-1プラズマの電子密度の局所分布の2次元計測に成功した．
(2)に関しては，ダイポール磁場中の高性能プラズマの粒子輸送を明らかにするため，プラズマ中にガスパフを用いて中性粒子を入射し，密度に摂動を与えて粒子輸送を調査した．(1)で開発したトモグラフィー法をライン比分光イメージング計測に適用し，ガス入射後に密度分布がピークしていく内向き拡散現象を明らかにした．内向き拡散を駆動する低周波揺動の存在を発見するとともに，トロイダルおよび鉛直方向複数箇所に並べた磁気プローブアレイを作成し，揺動のモード数や回転速度を計測した．これにより低周波揺動の時空間特性を明らかにし，揺動の伝搬方向が密度分布形状に依存することから，ドリフト波不安定性との関連が示唆された．
本研究で明らかにした密度分布の自己調整機構は，定常閉じ込め系に共通する長寿命構造の基礎物理における知見を与えることができる．トカマク等の磁場配位とは異なる新概念核融合装置の研究としてはもとより，将来の核融合装置に共通の物理工学課題も含んでおり，高性能な高ベータプラズマ生成とプラズマ閉じ込め物理研究の進展が期待できる.

現在までの達成度 (区分)

2: おおむね順調に進展している

理由

令和元年度の当初目標は，(1)RT-1において局所２次元密度・温度分布計測のためのトモグラフィー法の開発を完了させること，(2)粒子・熱輸送を調査すること，であった．
(1)に関しては当初の計画を達成できた．深層学習を用いたトモグラフィー法の開発を完了し，RT-1プラズマの電子密度の局所2次元分布の計測に成功した．従来の手法では真空容器内部の複雑な形状やその反射の影響により数値的に発散するという問題があるが，深層学習を用いることでこの問題を解決し，汎用的かつ適用が容易な手法を開発した．これにより，高ベータプラズマ領域の熱・粒子輸送の解明のために重要な情報を得ることができた.
(2)については，磁気圏プラズマの自己組織化現象として，アップヒル拡散によるピークした密度分布の形成を実験的に確認した．更に，このアップヒル拡散に同期した低周波の密度・磁場揺動の存在も確認され，多チャンネル磁気プローブアレイにより揺動の時空間構造を明らかにした．磁気圏プラズマの自己組織化を引き起こすメカニズム解明のための指針を得ることができた.
上記2点の研究成果により，概ね順調に進展していると評価できる.

今後の研究の推進方策

令和２年度はこれまでに明らかになってきた自己組織化プラズマの温度・密度分布，及び自己組織化を駆動する低周波揺動の時空間構造をもとに，密度の自己調整機構のメカニズム解明に取り組む．

電子密度・温度計測に加え，イオンの温度・流速，密度・磁場揺動の計測と総合して特徴的なパラメータを見出し，高ベータプラズマを自己組織化するメカニズムと構造を同定する．特に，令和元年度の研究から揺動の伝搬方向が密度分布形状に依存することが明らかになってきており，ドリフト波不安定性との関連が示唆されている．この点に着目した実験調査を行うとともに，ジャイロ運動論シミュレーションなどの整備を進めて詳細な議論を行う．

本研究課題の結果の総括として，令和２年に開催される第28回国際原子力機関（IAEA）核融合エネルギー会議において研究成果を報告し，国際論文誌Nuclear Fusionに投稿する．

次年度使用額が生じた理由

研究成果を報告するための学会・研究会参加のための費用として確保していたが，コロナ禍の影響により各種集会が中止されたため次年度使用額が生じた．コロナ禍の状況が改善次第，学会報告および論文報告費として使用する予定である．

研究成果

• [雑誌論文] Reformation of the Electron Internal Transport Barrier with the Appearance of a Magnetic Island (2020)
  • 著者名/発表者名: Kenmochi N.、Minami T.、Mizuuchi T.、Takahashi C.、Weir G. M.、Nishioka K.、Kobayashi S.、Nakamura Y.、Okada H.、Kado S.、Yamamoto S.、Ohshima S.、Konoshima S.、Ohtani Y.、Nagasaki K.
  • 雑誌名: Scientific Reports 巻: 10 ページ: 5-1~5-7
  • DOI: 10.1038/s41598-019-56492-x
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Collective Thomson scattering with 77, 154, and 300 GHz sources in LHD (2020)
  • 著者名/発表者名: Nishiura M.、Tanaka K.、Kubo S.、Saito T.、Kenmochi N.、Nuga H.、Seki R.、Shimozuma T.、Yoshimura Y.、Igami H.、Takahashi H.、Tsujimura T.I.、Yanai R.、Tatematsu Y.
  • 雑誌名: Journal of Instrumentation 巻: 15 ページ: C01002～C01002
  • DOI: 10.1088/1748-0221/15/01/C01002
  • 査読あり
• [雑誌論文] Simulation of Electromagnetic Wave Propagation in a Magnetospheric Plasma (2019)
  • 著者名/発表者名: MORI Takahiro、NISHIURA Masaki、YOSHIDA Zensho、KENMOCHI Naoki、KATSURA Shotaro、NAKAMURA Kaori、YOKOTA Yuuki、TSUJIMURA Toru I.、KUBO Shin
  • 雑誌名: Plasma and Fusion Research 巻: 14 ページ: 3401134～3401134
  • DOI: 10.1585/pfr.14.3401134
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Tomographic Reconstruction of Imaging Diagnostics with a Generative Adversarial Network (2019)
  • 著者名/発表者名: KENMOCHI Naoki、NISHIURA Masaki、NAKAMURA Kaori、YOSHIDA Zensho
  • 雑誌名: Plasma and Fusion Research 巻: 14 ページ: 1202117～1202117
  • DOI: 10.1585/pfr.14.1202117
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Experimental analysis of self-organized structure and transport on the magnetospheric plasma device RT-1 (2019)
  • 著者名/発表者名: Nishiura M.、Yoshida Z.、Kenmochi N.、Sugata T.、Nakamura K.、Mori T.、Katsura S.、Shirahata K.、Howard J.
  • 雑誌名: Nuclear Fusion 巻: 59 ページ: 096005～096005
  • DOI: 10.1088/1741-4326/ab259a
  • 査読あり / オープンアクセス
• [学会発表] 深層敵対的生成ネットワークを用いた線積分型イメージング計測における局所分布再構成 (2019)
  • 著者名/発表者名: 釼持尚輝, 西浦正樹, 中村香織, 上田研二, 吉田善章
  • 学会等名: 第36回 プラズマ・核融合学会 年会
• [学会発表] Deep learning for tomographic reconstruction of imaging diagnostics (2019)
  • 著者名/発表者名: N. Kenmochi, M. Nishiura, K. Nakamura, K. Ueda, Z. Yoshida
  • 学会等名: 3rd Asia-Pacific Conference on Plasma Physics
  • 国際学会
• [学会発表] Characteristics of uphill diffusion with low frequency fluctuation in dipole magnetic field (2019)
  • 著者名/発表者名: N. Kenmochi, Y. Yokota, M. Nishiura, H. Saitoh, K. Nakamura, T. Mori, Z. Yoshida
  • 学会等名: 46th European Physical Society Conference on Plasma Physics
  • 国際学会
• [学会発表] Collective Thomson scattering with 77, 154, and 300 GHz sources in LHD (2019)
  • 著者名/発表者名: M. Nishiura, K. Tanaka, S. Kubo, T. Saito, N. Kenmochi, H. Nuga, R. Seki, T. Shimozuma, Y. Yoshimura, H. Igami, H. Takahashi, T. I. Tsujimura, R. Yanai, Y. Tatematsu, LHD experiment group
  • 学会等名: Laser Aided Plasma Diagnostics 2019
  • 国際学会 / 招待講演
• [備考] Researchmap
  • URL: https://researchmap.jp/nkenmochi/
• [備考] プラズマ理工学講座ホームページ
  • URL: http://www.ppl.k.u-tokyo.ac.jp/index.html