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2022 年度 実施状況報告書

粒子モデルによる球状トカマクプラズマの加熱過程解明

研究課題

研究課題/領域番号 22K03581
研究機関核融合科学研究所

研究代表者

宇佐見 俊介  核融合科学研究所, ヘリカル研究部, 准教授 (80413996)

研究分担者 堀内 利得  核融合科学研究所, その他部局等, 名誉教授 (00229220)
森高 外征雄  核融合科学研究所, ヘリカル研究部, 助教 (20554372)
小野 靖  東京大学, 大学院新領域創成科学研究科, 教授 (30214191)
研究期間 (年度) 2022-04-01 – 2026-03-31
キーワード球状トカマク / 粒子シミュレーション / 磁気リコネクション / 加熱
研究実績の概要

将来の核融合炉で求められる高温プラズマを生成する手法として、球状トカマク合体による初期加熱方法が注目されているが、加熱の具体的な機構は未解明のままである。本研究では、球状トカマク装置内で2つのプラズマを磁気リコネクションを通して合体させる状況を模擬した粒子シミュレーションを行って、具体的な加熱機構を調べている。2022年度は、マクロ・ミクロ両方の視点から加熱機構の解明を進めた。マクロ的な視点からは、加熱プロセスは圧縮加熱と粘性加熱から成り、それぞれ起こっている場所やタイミングが異なることを見出した。また、2つの加熱機構のトロイダル磁場依存性を調べ、トロイダル磁場がある程度高い場合、2つの合計加熱量は大きく変わらないが、それぞれの加熱量はトロイダル磁場強度に大きく依存することを見出した。一方ミクロ的な視点からは、速度分布関数を調べることにより、リング型・部分リング型のイオン速度分布関数を見出し、このことから圧縮加熱は真の圧縮による加熱とピックアップライクな機構による実効的加熱から構成されていることを明らかにした。このような速度分布は、合体中だけでなく合体後にも形成されること、合体中と合体後で基本的な形成過程は同じだが、大きく異なる部分があることを突き止めた。
粒子シミュレーションモデルの発展面としては、境界条件をより実際の実験装置に近い状況に改良するなどの工夫を行った。またコード高速化のため、上記シミュレーションを最も実行するスーパーコンピュータがベクトル機であることから、ベクトル機向けの最適化処理を多く組み込んだ。
一方で、東京大学の球状トカマク装置TS-6などに新しい計測装置を組み込んで、プラズマ合体実験を進めることで、静電ポテンシャル、温度の2次元プロファイルなどを測定できるようになっている。

現在までの達成度 (区分)
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

メイン成果となる球状トカマク合体の粒子シミュレーション研究面では、計画よりも遅れている面と進んでいる面があった。マクロな描像では粘性加熱である加熱のミクロな運動論的過程を解明する予定であったが、条件によって大きな違いが見られることが分かり、全体像の把握には至らなかった。しかし、一方の圧縮加熱をミクロな視点で見た成果として、リング型・部分リング型の速度分布に関する研究は当初の計画以上に進めることができた。特に、合体中と合体後でどちらが形成されやすいかの違い、形成過程の違いがある点などを見出し、理論的にも説明できたことは大きな進捗であった。加えて予備的な結果ではあるが、熱の拡散・輸送過程がトロイダル磁場強度によって大きく異なること、そのため温度の空間プロファイルに大きな違いが生じることを発見したことも、当初計画以上の大きな進展である。
また、計算結果に大きな影響は及ぼさなかったが、シミュレーションモデルの境界条件を改良したことは予定通りの進捗である。計算時間の大幅な短縮には至らなかったものの、シミュレーションコードにベクトル機向け最適化処理を施したことも計画通りであった。
実験面では東京大学の球状トカマク装置TS-6で、その全てが本研究課題研究費による貢献ではないが、多くの計測装置を組み込み、それによる新しい実験を多くのパターンで進めることができたので、想定した計画以上に進んだと評価できる。
以上から、全体としては本研究課題の進捗状況は「おおむね順調に進展している」と判断した。

今後の研究の推進方策

用いている粒子モデルの改良・高速化を行いながら、そのモデルを用いた粒子シミュレーションを行い、実験グループとも連携しながら球状トカマク合体におけるプラズマ加熱過程探求を継続する。粒子シミュレーションによる研究面では、マクロ視点で見た場合に粘性加熱に属する機構について、粒子速度分布や粒子軌道を解析することで、ミクロな運動論的過程を明らかにする。一方で、リング型・部分リング型の速度分布からマクスウェル分布に近づくような過程、すなわち、実効的な加熱から真の加熱への変換が起こるか調べる。視点を変えればこのトピックは、リング型・部分リング型速度分布からどのような不安定性が駆動されるのか、という側面も持つ広がりのあるものである。また、加熱されたプラズマは合体点を中心に回転しつつ装置内全域に広がるが、その振る舞いはトロイダル磁場強度によって大きく変わることが示されたので、拡散・輸送といったマクロな描像に潜むミクロな根本過程を解明し、装置内のどこでどのように発生するのか明らかにする。
モデルの改良面では、今までの粒子シミュレーションでは2つのプラズマには人為的な力を加えずに合体させていたが、より実験に近い状況に対応するため、人為的な力をかけて合体させる方法をコードに組み込む。また、初期に設定した平衡解をより精度の良いものに改善していく。コードの高速化の面では、スパコンベンダーの協力も得ることを視野に、さらなる並列化を推し進める。
実験との連携面では、東京大学トカマク装置TS-6などで測定された2次元プロファイルと粒子シミュレーション結果を直接比較するなど、連携をさらに深める。

次年度使用額が生じた理由

現地での開催を予定していた学会がオンライン開催となり、国内出張費として予定していた旅費を使用しなかった。また、無停電電源装置の購入を取りやめた。
研究計画を練り直し、2023年度の国内・国際会議の参加費や、シミュレーションデータ保存用のハードディスクドライブ、解析ソフトウェア購入に使用する。

  • 研究成果

    (26件)

すべて 2023 2022

すべて 雑誌論文 (3件) (うち査読あり 3件、 オープンアクセス 1件) 学会発表 (23件) (うち国際学会 16件、 招待講演 8件)

  • [雑誌論文] Investigation of Quadrupole Potential Dependency on Reconnecting Magnetic Field during Tokamak Merging / Reconnection2023

    • 著者名/発表者名
      Tanaka Haruaki、Cai Yunhan、Tanabe Hiroshi、Ono Yasushi
    • 雑誌名

      IEEJ Transactions on Fundamentals and Materials

      巻: 143 ページ: 63~64

    • DOI

      10.1541/ieejfms.143.63

    • 査読あり
  • [雑誌論文] Development of Cost-Effective Polychromator System with Two Angled Filters for Thomson Scattering Measurement System2023

    • 著者名/発表者名
      KIM Jungkyun、KAMIYA Shun、YAMAGUCHI Haruka、TANABE Hiroshi、ONO Yasushi
    • 雑誌名

      Plasma and Fusion Research

      巻: 18 ページ: 1301015~1301015

    • DOI

      10.1585/pfr.18.1301015

    • 査読あり / オープンアクセス
  • [雑誌論文] Reconstruction of the Internal Magnetic Configuration of Two Merging Spherical Tokamak Plasmas by External Probe Measurement and MHD Simulation2022

    • 著者名/発表者名
      Ahmadi Tara、Ono Yasushi、Tanabe Hiroshi、Cai Yunhan
    • 雑誌名

      IEEJ Transactions on Electrical and Electronic Engineering

      巻: 17 ページ: 1231~1233

    • DOI

      10.1002/tee.23614

    • 査読あり
  • [学会発表] 磁気リコネクション下流における イオン三日月型速度分布の形成過程2023

    • 著者名/発表者名
      宇佐見俊介、銭谷誠司
    • 学会等名
      日本物理学会2023年春季大会
  • [学会発表] High Power Reconnection Heating and Acceleration in UTokyo Tokamak Merging Experiments2022

    • 著者名/発表者名
      Yasushi Ono, Shinjiro Takeda, Haruaki Tanaka, Moe Akimitsu, Ryo Someya, Shun Kamiya, Tara Ahmadi, Kurumi Doi, Haruka Yamaguchi, Yunhan Cai, Jungkyun Kim, Hiroshi Tanabe, Shunsuke Usami, Ritoku Horiuchi, Chio Z. Cheng
    • 学会等名
      64th Annual Meeting of Division of Plasma Physics, American Physcial Society
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] Merging Formation of High-Beta Spherical Tokamak with Absolute Minimum-B in TS-6 merging experiment2022

    • 著者名/発表者名
      Yasushi Ono, Haruaki Tanaka, Shun Kamiya, Haruka Yamaguchi, Jungkyun Kim, Yunhan Cai, Ryo Someya, Shinjiro Takeda, Hiroshi Tanabe, Shunsuke Usami, Ritoku Horiuchi, Chio Z. Cheng
    • 学会等名
      64th Annual Meeting of Division of Plasma Physics, American Physcial Society
    • 国際学会
  • [学会発表] Influence of in-plane electrostatic potential on the ion heating characteristi during ST merging2022

    • 著者名/発表者名
      H. Tanaka, H. Tanabe, Y. Ono
    • 学会等名
      64th Annual Meeting of Division of Plasma Physics, American Physcial Society
    • 国際学会
  • [学会発表] 高ガイド磁場リコネクションによる巨視的領域におけるイオン加速・加熱機構の解明2022

    • 著者名/発表者名
      田中遥暁、田辺博士、蔡雲漢、竹田慎次朗、Tara Ahmadi、小野靖
    • 学会等名
      第39 回プラズマ・核融合学会年会
  • [学会発表] 磁気リコネクションで形成されるイオンの三日月型速度分布2022

    • 著者名/発表者名
      宇佐見俊介、銭谷誠司、堀内利得
    • 学会等名
      第39 回プラズマ・核融合学会年会
  • [学会発表] リング速度分布と疑似マクスウェル速度分布の関係 -磁気再結合を例にして-2022

    • 著者名/発表者名
      宇佐見俊介、堀内利得
    • 学会等名
      プラズマシミュレータシンポジウム2022
    • 招待講演
  • [学会発表] Spatial Profile measurement of ion velocity distribution function for studying reconnection heating and acceleration in tokamak merging experiment2022

    • 著者名/発表者名
      R. Someya, I. Nakau, Y. Funato, Y. Cai, H. Tanabe, Y. Ono
    • 学会等名
      US-Japan Workshop on Magnetic Reconnection (MR2022)
    • 国際学会
  • [学会発表] Ion Velocity Distribution Measurement for Reconnection Heating / Acceleration Study2022

    • 著者名/発表者名
      R. Someya, I. Nakau, Y. Cai, H. Tanabe, Y. Ono
    • 学会等名
      6th Asia-Pacific Conference on Plasma Physics, Division of Plasma Physics (AAPPS-DPP2022)
    • 国際学会
  • [学会発表] Experimental Study of Reconnection Heating and Acceleration by Glass-Tube-Pair Type Doppler Probe Array2022

    • 著者名/発表者名
      R. Someya, I. Nakau, Y. Cai, H. Tanabe, Y. Ono
    • 学会等名
      64th Annual Meeting of Division of Plasma Physics, American Physcial Society
    • 国際学会
  • [学会発表] Scaling Study of Reconnection Heating in Merging Tokamak Experiments and Simulations2022

    • 著者名/発表者名
      Y. Ono, H. Tanaka, H. Tanabe, M. Inomoto, M. Akimitsu, S. Inoue, R. Horiuchi, S. Usami, C. Z. Cheng
    • 学会等名
      20th International Congress on Plasma Physics (ICPP2022)
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] Current Sheet Structure and Plasma Heating in Magnetic Reconnection2022

    • 著者名/発表者名
      C. Z. Cheng, Y. Ono, H. Tanabe, S. Inoue, R. Horiuchi, S. Usami
    • 学会等名
      20th International Congress on Plasma Physics (ICPP2022)
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] イオン速度分布関数の径方向分布計測によるトカマク合体リコネクションのイオン加速・加熱機構の検証2022

    • 著者名/発表者名
      染谷諒、中右樹、蔡雲漢、田辺博士、小野靖
    • 学会等名
      第39回プラズマ・核融合学会年会
  • [学会発表] マルチ軟X線カメラによるトカマク合体中の高エネルギー電子のイメージング計測2022

    • 著者名/発表者名
      竹田慎次朗,奥西衛門,蔡雲漢,田辺博士,小野靖
    • 学会等名
      第39 回プラズマ・核融合学会年会
  • [学会発表] Global ion heating/transport process of magnetic reconnection in flux tube merging experiments2022

    • 著者名/発表者名
      H. Tanabe, H. Tanaka, Y. Cai, M. Gryaznevich, C. Z. Cheng, M. Inomoto and Y. Ono
    • 学会等名
      6th Asia-Pacific Conference on Plasma Physics, Division of Plasma Physics (AAPPS-DPP2022)
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] Recent progress of guide field reconnection research in merging spherical tokamak formation2022

    • 著者名/発表者名
      H. Tanabe, H. Tanaka, Y. Cai, R. Someya, S. Takeda, M. Gryaznevich, C. Z. Cheng, H. Park, M. Inomoto and Y. Ono
    • 学会等名
      US-Japan Workshop on Magnetic Reconnection (MR2022)
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] Guide-field dependence of a merging process of two spherical-tokamak-type plasmoids2022

    • 著者名/発表者名
      R. Horiuchi, T. Moritaka, S. Usami, and Y. Ono
    • 学会等名
      27th International Conference of Numerical Simulation of Plasmas (ICNSP2022)
    • 国際学会
  • [学会発表] Guide-field dependence of a merging process of two spherical-tokamak-type plasmoids2022

    • 著者名/発表者名
      R. Horiuchi, T. Moritaka, S. Usami, H. Tanabe, and Y. Ono
    • 学会等名
      6th Asia-Pacific Conference on Plasma Physics, Division of Plasma Physics, (AAPPS-DPP2022)
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] Recent Progress of Merging Spherical Tokamak Formation Experiments ~ Global-scale Ion Heating/Transport during Magnetic Reconnection ~2022

    • 著者名/発表者名
      H. Tanabe, H. Tanaka, Y. Cai, M. Gryaznevich, S. Mcnamara, C. Z. Cheng, M. Inomoto and Y. Ono
    • 学会等名
      20th International Congress on Plasma Physics (ICPP2022)
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] Development of Cost-Effective/Wavelength Tunable Polychromator System with Two Angled Filters for Thomson Scattering Diagnostics2022

    • 著者名/発表者名
      J. Kim, S. Kamiya, H. Yamaguchi, H. Tanabe, Y. Ono
    • 学会等名
      6th Asia-Pacific Conference on Plasma Physics, Division of Plasma Physics (AAPPS-DPP2022)
    • 国際学会
  • [学会発表] TS-6 トカマク合体実験における電流シートのプラズモイド構造変化2022

    • 著者名/発表者名
      土井久瑠美, 秋光萌, 蔡雲漢,田辺博士, 小野靖
    • 学会等名
      第39 回プラズマ・核融合学会年会
  • [学会発表] Multiple Plasmoid Formation and Current Sheet Dynamics of Two Merging Tokamak2022

    • 著者名/発表者名
      K. Doi, M. Akimitsu, Y. Cai, H. Tanabe and Y. Ono
    • 学会等名
      20th International Congress on Plasma Physics (ICPP2022)
    • 国際学会
  • [学会発表] First Detection of High- Energy Electrons at X-point of Merging Tokamak Plasmas2022

    • 著者名/発表者名
      S. Takeda, Y. Okunishi, Y. Cai, H. Tanabe, Y. Ono
    • 学会等名
      6th Asia-Pacific Conference on Plasma Physics, Division of Plasma Physics (AAPPS-DPP2022)
    • 国際学会

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公開日: 2023-12-25  

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