データ駆動型アプローチによる核融合プラズマの突発的崩壊現象の研究

2020 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 19J20641
• 研究機関: 東京大学
• 研究代表者: 横山 達也 東京大学, 新領域創成科学研究科, 特別研究員(DC1)
• 研究期間 (年度): 2019-04-25 – 2022-03-31
• キーワード: 放射崩壊 / 高密度プラズマ / 大型ヘリカル装置（LHD） / ディスラプション / JT-60U / スパースモデリング

研究実績の概要

本研究課題では，ヘリカルプラズマの放射崩壊現象に着目し，機械学習による崩壊の発生予知及びスパースモデリングによる現象の特徴の抽出を目指している．本年度は，大型ヘリカル装置（LHD）における重水素・三重水素プラズマ実験データに基づき，放射崩壊の発生可能性を定量化した．ここで用いたのは，全状態探索によるスパースモデリングによって抽出された，崩壊発生予知に重要なパラメータである．この崩壊可能性は，LHDにおける広範な実験データを用いて評価され，高い予知性能を持つことが示された．
放射崩壊の発生過程を解明するため，崩壊可能性が上昇していく時間帯におけるプラズマ中の現象に着目し，シミュレーションを用いて考察した．その結果，崩壊に近づくにつれて炭素不純物のピークの出現が見られた．さらに磁力線に沿った輸送を解析したところ，上流での輸送の変化がピーク位置での密度の変化と関係していることが確認された．
さらに，崩壊可能性を用いた放射崩壊回避のための実時間制御システムを構築し，LHDにおける実験に適用した．この制御システムは，崩壊可能性がしきい値を超えた際に電子サイクロトロン共鳴加熱による追加熱とガスパフによる燃料供給の遮断を行い，崩壊を回避しながら高い密度のプラズマを生成することを目指すものである．実際の放電に制御システムを適用し，放射崩壊を回避しながら高い電子密度を達成することができた．
また，トカマクプラズマにおけるディスラプション現象についてもスパースモデリングを用いた解析を進めている．本年度は，これまで行ってきたトカマク型装置JT-60Uにおける高ベータディスラプション現象の解析をすすめ，ディスラプションの発生可能性の定量評価を行った．この成果について，査読付き論文として発表した．

現在までの達成度 (区分)

1: 当初の計画以上に進展している

理由

本年度はLHDにおける実験データを用いて放射崩壊の発生可能性を定量的に評価することで制御への応用を容易にすることができた．そのため，当初の計画よりも早期に，放射崩壊回避のための実時間制御システムを構築し，LHDにおける実験に適用することができた．LHDにおける制御実験によって，崩壊の発生可能性が崩壊の回避に有効であることを実証することができた．
さらに，放射崩壊の発生過程の解明を目指し，周辺プラズマ輸送コードEMC3-EIRENEによるシミュレーションを用いた考察・議論を深めることができた．
また，ディスラプションについても，これまでの研究を踏まえて崩壊可能性を定量評価することができた．

今後の研究の推進方策

崩壊の発生可能性に基づく制御によって放射崩壊を回避することはできたが，電子サイクロトロン共鳴加熱による追加熱が崩壊の回避に有効であることを示すことはできなかった．そこで加熱を最適化することでより効果的にプラズマを加熱し，その有効性を実証したいと考えている．
また，崩壊に近づき，回避するという変化の中のプラズマの挙動に着目し，崩壊の発生・回避のメカニズムを議論する．
シミュレーションを用いた崩壊の発生過程の議論については，シミュレーション結果が実験をよく再現できているかを確かめるため，シミュレーション上で計測を再現する合成診断を作成し，実験と比較することを計画している．

研究成果

• [雑誌論文] Likelihood Identification of High-Beta Disruption in JT-60U (2021)
  • 著者名/発表者名: YOKOYAMA Tatsuya、YAMADA Hiroshi、ISAYAMA Akihiko、HIWATARI Ryoji、IDE Shunsuke、MATSUNAGA Go、MIYOSHI Yuya、OYAMA Naoyuki、IMAGAWA Naoto、IGARASHI Yasuhiko、OKADA Masato、OGAWA Yuichi
  • 雑誌名: Plasma and Fusion Research 巻: 16 ページ: 1402073～1402073
  • DOI: 10.1585/pfr.16.1402073
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Data-Driven Approach on the Mechanism of Radiative Collapse in the Large Helical Device (2021)
  • 著者名/発表者名: YOKOYAMA Tatsuya、YAMADA Hiroshi、MASUZAKI Suguru、MIYAZAWA Junichi、MUKAI Kiyofumi、PETERSON Byron J.、TAMURA Naoki、SAKAMOTO Ryuichi、MOTOJIMA Gen、IDA Katsumi、GOTO Motoshi、OISHI Tetsutaro、KAWAMURA Gakushi、KOBAYASHI Masahiro、LHD Experiment Group
  • 雑誌名: Plasma and Fusion Research 巻: 16 ページ: 2402010～2402010
  • DOI: 10.1585/pfr.16.2402010
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Prediction of Radiative Collapse in Large Helical Device Using Feature Extraction by Exhaustive Search (2020)
  • 著者名/発表者名: Yokoyama Tatsuya、LHD Experiment Group、Yamada Hiroshi、Masuzaki Suguru、Miyazawa Junichi、Mukai Kiyofumi、Peterson Byron J.、Tamura Naoki、Sakamoto Ryuichi、Motojima Gen、Ida Katsumi、Goto Motoshi、Oishi Tetsutaro
  • 雑誌名: Journal of Fusion Energy 巻: 39 ページ: 500～511
  • DOI: 10.1007/s10894-020-00272-3
  • 査読あり
• [学会発表] データ駆動アプローチとシミュレーションを合わせた放射崩壊前駆現象の考察 (2021)
  • 著者名/発表者名: 横山 達也,山田 弘司,増崎 貴,宮澤 順一,向井 清史 , Byron J. Peterson,田村 直樹,坂本 隆一,本島 厳,居田 克巳 , 後藤 基志,大石 鉄太郎,小林 政弘,河村 学思 ,LHD実験グループ
  • 学会等名: 日本物理学会第76回年次大会
• [学会発表] Feature extraction and likelihood estimation of radiative collapse in Large Helical Device using sparse modeling (2021)
  • 著者名/発表者名: YOKOYAMA Tatsuya, YAMADA Hiroshi, MASUZAKI Suguru, MIYAZAWA Junichi, MUKAI Kiyofumi, PETERSON Byron J., TAMURA Naoki, SAKAMOTO Ryuichi, MOTOJIMA Gen, IDA Katsumi, GOTO Motoshi, OISHI Tetsutaro, KAWAMURA Gakushi, KOBAYASHI Masahiro, LHD Experiment Group
  • 学会等名: 3rd International Conference on Data Driven Plasma Science
  • 国際学会
• [学会発表] LHDにおける放射崩壊の予知と物理背景のデータ駆動型研究 (2020)
  • 著者名/発表者名: 横山 達也,山田 弘司,増崎 貴,宮澤 順一,向井 清史 , Byron J. Peterson,田村 直樹,坂本 隆一,本島 厳,居田 克巳 , 後藤 基志,大石 鉄太郎,小林 政弘,河村 学思 ,LHD実験グループ
  • 学会等名: 日本物理学会2020年秋季大会
• [学会発表] データ駆動アプローチを用いた大型ヘリカル装置における放射崩壊の発生予知と発生過程の研究 (2020)
  • 著者名/発表者名: 横山 達也,山田 弘司,増崎 貴,宮澤 順一,向井 清史 , Byron J. Peterson,田村 直樹,坂本 隆一,本島 厳,居田 克巳 , 後藤 基志,大石 鉄太郎,小林 政弘,河村 学思 ,LHD実験グループ
  • 学会等名: 第37回プラズマ・核融合学会年会
• [学会発表] Data-driven approach on the mechanism of radiative collapse in Large Helical Device (2020)
  • 著者名/発表者名: YOKOYAMA Tatsuya, YAMADA Hiroshi, MASUZAKI Suguru, MIYAZAWA Junichi, MUKAI Kiyofumi, PETERSON Byron J., TAMURA Naoki, SAKAMOTO Ryuichi, MOTOJIMA Gen, IDA Katsumi, GOTO Motoshi, OISHI Tetsutaro, KAWAMURA Gakushi, KOBAYASHI Masahiro, LHD Experiment Group
  • 学会等名: The 29th International Toki Conference
  • 国際学会
• [学会発表] Feature extraction and prediction of radiative collapse in Large Helical Device using sparse modeling (2020)
  • 著者名/発表者名: YOKOYAMA Tatsuya, YAMADA Hiroshi, MASUZAKI Suguru, MIYAZAWA Junichi, MUKAI Kiyofumi, PETERSON Byron J., TAMURA Naoki, SAKAMOTO Ryuichi, MOTOJIMA Gen, IDA Katsumi, GOTO Motoshi, OISHI Tetsutaro, KAWAMURA Gakushi, KOBAYASHI Masahiro, LHD Experiment Group
  • 学会等名: 4th Asia-Pacific Conference on Plasma Physics
  • 国際学会
• [学会発表] Interpretation and application of extracted features of radiative collapse in Large Helical Device with sparse modeling (2020)
  • 著者名/発表者名: YOKOYAMA Tatsuya, YAMADA Hiroshi, MASUZAKI Suguru, MIYAZAWA Junichi, MUKAI Kiyofumi, PETERSON Byron J., TAMURA Naoki, SAKAMOTO Ryuichi, MOTOJIMA Gen, IDA Katsumi, GOTO Motoshi, OISHI Tetsutaro, KAWAMURA Gakushi, KOBAYASHI Masahiro, LHD Experiment Group
  • 学会等名: 62nd Annual Meeting of the APS Division of Plasma Physics
  • 国際学会