閉じ込めと輸送

3次元磁場配位を用いたプラズマ輸送制御実験の統合シミュレーションによる検討

代表 山口 裕之研究部

核融合プラズマの閉じ込め劣化要因である輸送の制御を目的に、３次元磁場配位によるプラズマ輸送制御実験を数値シミュレーションによって検討し、具体的な実験シナリオを提示する。柔軟な磁場配位を有する装置設計に基づき、乱流輸送の抑制・促進条件を数値的に探求するとともに、諸条件を揃えた比較実験に適した配位を明らかにする。さらに統合シミュレーションにより、異常輸送の磁場配位依存性が閉じ込め特性として現れる条件を予測し、配位設計による閉じ込め改善の実証手法を示す。

非局所輸送を活用した高速・高空間精度プラズマ制御手法の開拓

代表 釼持 尚輝研究部

核融合炉心プラズマの予測と制御に、輸送流速が局所的な勾配で決まらない『非局所輸送』は重要な役割を果たすが、その物理機構の理解は不十分である。本研究では核融合炉実現のために重要な高性能炉心プラズマ制御手法を確立するため、（１）非局所輸送の特性とその発現機構を解明し、（２）その理解に基づき先進的なプラズマ制御手法を開発・実証する。世界で唯一、高温プラズマでの非局所輸送の観測が可能な高性能計測機器群と、プラズマ制御のためのアクチュエータを豊富に揃える大型ヘリカル装置は、本研究に最適な装置である。本研究は突発現象の制御などにも応用が期待され、核融合炉心プラズマ制御技術の飛躍的な進展をもたらす。

複雑流動の解空間構造に基づくプラズマ輸送の外挿モデルの構築

代表 沼波 政倫研究部

原型炉設計等に向けて、普遍性に裏付けされた外挿可能なプラズマの熱・粒子輸送モデルの構築を目指す。従来議論されてきたモデルでは、既存の実験やシミュレーションに基づく内挿の延長による予測に留まっていた。ここでは、揺動やシア流などをパラメータとした空間上に形成される複雑流動の「解空間」に着目し、その普遍性に基づいて、輸送の外挿予測を目指す。複雑流動の普遍性を見出すため、プラズマ流動との共通点がある液晶流動の精密な実験と連携し、外挿性を有した輸送モデルを構築する。

高エネルギーイオン・揺動解析による自律燃焼プラズマの乱流輸送機構の解明

代表 西浦 正樹研究部

核融合炉の高エネルギーイオンによる自律燃焼条件には，高エネルギーイオンとバルクイオ ンの良好な閉じ込めの両立が必須となる．本研究はミリ波協同トムソン散乱(CTS)と相関電子温度揺動(CECE)計測を用いて高エネルギーイオンが駆動するプラズマ中の電場と乱流に着目した電場・乱流励起・輸送メカニズムの解明を目的とする．そのために従来の高エネルギーイオン計測用のCTS受信機を基に，高ダイナミックレンジ化(30dB)と低ノイズ化した新CTS/CECE計測システムを開発しCECE計測を実現する．燃焼プラズマ閉じ込め物理機構に於ける高エネルギーイオンの役割を解明することで原型炉研究の新学術基盤を構築する．

外部電流系を変量とした最適化によるヘリカル閉じ込め方式の新領域開拓と課題解決

代表 山口 裕之研究部

経済的な磁場閉じ込め核融合炉を実現する上で、プラズマの安定性、高い閉じ込め性能、プラズマから流出する粒子と熱を開いた磁力線で壁へ誘導するダイバータ配位での定常運転が成立する条件を見出すことは重要な課題となっている。本研究では、閉じ込め磁場を生成する外部コイルの形状を直接の変量としプラズマの物理特性と装置の工学特性を同時に最適化する、核融合炉設計のための新しい数値的最適化スキームを開発する。従来の最適化では考慮できなかった離散コイル、自由境界平衡、周辺磁場構造を評価関数に組み入れる。スーパーコンピュータも活用した大規模な最適化を実施し、これまでの課題を解決する核融合炉の具体形を提案する。

内部輸送障壁の位置決定機構の解明とエッジAIによるプラズマ圧力分布の制御

代表 釼持 尚輝研究部

核融合炉実現のために内部輸送障壁の形成とその制御が重要かつ効果的であるが、輸送障壁の形成機構の理解が不十分であるとともに、形成の時間スケールなどは不明であった。 本研究では、核融合炉実現のために重要な高性能プラズマの分布制御手法を確立するため、 (1)輸送障壁の位置決定機構を明らかにし、 (2)深層学習の手法を応用することで、位置決定に重要な物理量の制御を介して圧力分布を実時間制御するエッジAIシステムの開発・実証を行う。 本研究は乱流の非線形効果、マルチスケールの構造形成など科学の文脈の中で重要な位置づけをもつと同時に、炉心プラズマ設計という研究開発の根幹に大きなインパクトを与えることができる。

不純物蓄積の抑制を目指したヘリカル型核融合炉の最適化配位設計

代表 佐竹 真介研究部

核融合炉の定常運転を目指す上で、不純物イオンの蓄積を抑制する必要がある。ヘリカル磁場装置では電子とイオンの温度がほぼ等しい場合、新古典輸送理論から予測される径電場が負になると想定され、負電場によって高Zイオンほどプラズマ中心に輸送されることが懸念されていた。しかし、荷電粒子の大域的ドリフト運動を正しく解く新古典輸送計算により、電子とイオンの温度が同程度でも、正の両極性電場ができることが示唆されている。本研究では、磁場配位を最適化することで、正の両極性電場ができやすく、不純物の蓄積が抑制できる条件を研究し、それを機械学習でモデル化することで、核融合炉の最適化配位設計を目指す。

プラズマダイナミクスシミュレーションによる乱流輸送予測検証

代表 登田 慎一郎研究部

トロイダルプラズマにおいて、ジャイロ運動論解析結果を輸送ダイナミクスシミュレーションに適用するのはこれまで困難であり、定常輸送解析にとどまっていた。本研究では、ジャイロ運動論解析結果による乱流輸送を用いた、プラズマダイナミクスを考察する時間発展シミュレーションを行う。その際、ジャイロ運動論解析結果に基づく簡約化モデルにより、乱流輸送レベルを決める。シミュレーション結果が、実験結果をどの程度再現するかを検証する。検証結果をITER等での改善閉じ込めプラズマを目指す予測研究の基礎にする。

トロイダルプラズマにおけるポロイダルフロー能動制御による閉じ込め遷移研究

代表 高橋 裕己ヘリカル研究部

本研究では、装置サイズや磁場リップル構造が大きく異なるプラズマ閉じ込め装置間において、電極バイアス実験を行い、ポロイダル粘性のフロー依存性や閉じ込め遷移に必要なポロイダルトルクの大きさを網羅的に評価する。本研究によって、理論・実験の双方で定量評価された粘性の系統的な比較が初めて可能となり、新古典ポロイダルイオン粘性の非線形性がトロイダルプラズマの閉じ込め改善モード遷移に対して担う役割が明らかになる。

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

代表 沼波 政倫研究部

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。

大規模熱輸送解析データベースを活用した核融合プラズマの熱輸送モデリング

代表 横山 雅之研究部

「実際に使える」核融合プラズマの熱輸送モデルを導出するため、第一原理に基づく従来の研究から発想を大きく転換して、大規模データ（多数の実験データ、多数の熱輸送解析データ）に向き合った手法を提唱、実践する。大型ヘリカル装置の実験解析用統合輸送解析スイートTASK3D-aの開発・運用の実績に基づく発想である。統計解析手法に基づいて、広範囲のパラメータにわたって有効かつ簡便な「使える」熱輸送モデルを提示する。さらに、得られた熱輸送モデルの実験検証を行い、その妥当性を検証する。その上で、トカマクを含めた他実験装置における同様の研究の呼びかけを行うとともに、核融合炉運転制御への活用を見据えた展開も図る。

複合トレーサー内蔵ペレットを用いた不純物蓄積回避スキームにおけるロバスト性の検証

代表 田村 直樹ヘリカル研究部

核融合プラズマ中に不純物が溜まる現象を回避する方法は幾つかあるが、それを実現させている物理機構の解明が現在の課題である。また、適用裕度（ロバスト性）に着目した回避手法の最適化研究は、ほぼ手つかずの状況にある。研究代表者は、低Z不純物と高Z不純物を等量含む複合トレーサー内蔵ペレットを新たに開発し、大型ヘリカル装置において不純物蓄積回避手法におけるロバスト性の実験的検証を低Z不純物と高Z不純物に対して同一条件で実施し、その検証を飛躍的に加速させる。これにより、不純物蓄積回避の鍵となる物理パラメータを抽出し、計算による結果との比較、検証から、不純物蓄積回避を実現させている物理機構の解明を目指す。

新古典・乱流輸送理論シミュレーションによる核融合プラズマ性能の解明と予測

代表 洲鎌 英雄研究部

本研究では、核融合プラズマ性能の向上に適した磁場配位、プラズマ密度・温度や電場分布等の条件を明らかにするため、荷電粒子の位相(位置・速度)空間上の分布関数を扱うプラズマ運動論に基づいて、磁場閉じ込めプラズマにおける粒子・熱エネルギー・運動量の輸送現象の物理機構解明とその定量的予測を行うことができる高精度の理論モデルとシミュレーションコードの構築および改良を進める。

3次元磁場効果による安定なダイバータデタッチメントとコアプラズマ性能の両立

代表 小林 政弘ヘリカル研究部

核融合炉におけるダイバータ熱負荷軽減とコアプラズマの閉じ込め性能の両立は極めて重要な研究課題である。一方、さらなるダイバータ熱負荷軽減を目指して提案されている摂動磁場(RMP)を用いた先進的ダイバータ配位においては、この点に着目した研究がまだほとんどなされていない。申請者らはこれまで、RMPを印加することによりデタッチメント運転が安定に維持できることを示してきた。その中で、RMPの印加によってコアの閉じ込め特性が変化することを見出した。これらの新たな発見を足掛かりにして、核融合炉における周辺部の3次元磁場形状がデタッチメント時のコアプラズマ閉じ込め性能に及ぼす影響について明らかにする。

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

代表 釼持 尚輝ヘリカル研究部

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・粒子特性の解明である。本研究により内向き拡散のメカニズムについて以下に示す2つの新しい知見を得られた。(i)本研究で開発した詳細計測・解析手法により、内向き拡散により自発的に形成されるピークした密度分布を詳細に可視化した。(ii)放電中に中性ガスを入射することで、ピークした密度分布が再構成される際に低周波揺動が励起されることを発見し、揺動の時空間構造の詳細計測から内向き拡散のメカニズムにドリフト波不安定性が関連していることを示唆した。

燃焼プラズマ研究に向けた高エネルギー粒子物理と熱化粒子物理の統合

代表 西村 伸研究部

加熱や核融合反応による高速イオンを含む状態において熱化粒子側に起こる新古典的諸現象及びMHD平衡の観点からの高速イオン関係理論の見直しを行った。主な成果は、(1) 固有関数法と随伴方程式法に基づく高速イオン速度分布計算のベンチマークテスト、(2) 中性粒子ビーム生成高速イオンの非両極性径方向輸送の理論式導出、(3) 核融合生成高速イオンの磁力線方向自発流の理論式導出、(4) 衝突オペレータテスト粒子項のためのエネルギー依存Coulomb対数の理論式導出、(5) 中性粒子ビーム生成高速イオンの荷電交換損失の計測としての高速イオン荷電交換分光(FIDA)の応用に関する理論式導出と実験、である。

磁場閉じ込め高温プラズマの乱流輸送に及ぼす不純物の影響の定量的解明

代表 田村 直樹研究部

高温プラズマで観測されている不純物導入によるプラズマ閉じ込め改善は乱流輸送が低減したためと考えられているが、その低減における不純物自体の役割に関しては理論等でその効果が指摘されつつも実験的には不明のままである。核融合炉実現には不純物量の最適化が必須であるため、不純物が乱流輸送に与える影響の定量的解明が喫緊の課題である。 本研究では、導入できる不純物の種類、量及び位置の精密な制御が世界で唯一可能なTESPELを乱流輸送が支配的なプラズマが生成できるドイツの環状磁場閉じ込め高温プラズマ実験装置W7-Xに適用し、磁場閉じ込め高温プラズマ中の乱流輸送に及ぼす不純物の影響を定量的に解明することを目指す。

核融合プラズマの新しい輸送パラダイムの探求をめざした速度空間揺らぎの研究

代表 居田 克巳ヘリカル研究部

プラズマの揺らぎは、密度、温度、流速などの実空間における揺らぎのパターン（いわゆる乱流）として扱われてきた。一方、速度空間におけるマクスウェル分布からのずれ（歪み）の揺らぎは未だ研究されていない。核融合燃焼条件に適う高温で、初めてこの揺らぎが観測可能となる。本研究課題では、速度空間歪みの揺らぎを計測する装置を開発して、超高温プラズマ発生装置に設置し、実空間の揺らぎ（乱流）と速度空間の揺らぎの両者を観測する。そして、揺らぎの研究を従来の「実空間」から「速度空間」へと拡張することで、非局所輸送やヒステリシスなどの謎を解きえる新しい輸送パラダイムの探求をめざす。

核融合原型炉同等条件下における先進レーザー計測を用いた乱流駆動輸送研究の新展開

代表 田中 謙治研究部

核融合原型炉との同等条件のプラズマは量研機構のJT-60SAで初めて達成される。本研究は先進的なレーザー計測を開発し、JT-60SAにおいて原型炉と同等条件下で乱流の挙動を計測し、それにより、原型炉における乱流が駆動するプラズマ閉じ込めの物理機構を明らかにすることを目指す。研究は乱流計測の開発とそれを用いたJT-60SAにおける物理実験からなる。乱流計測ではレーザーを用いた二次元位相コントラストイメージングを開発する。物理実験では原型炉と同等条件において、特に重要な電子加熱の実験に取り組む。閉じ込め特性および乱流の空間スペクトル構造の違いを実験から明らかにし、シミュレーションと比較する。

新型トレーサー内蔵ペレットで解明する高温プラズマ中の不純物輸送特性

代表 田村 直樹ヘリカル研究部

ドイツのW7-X装置とスペインのTJ-II装置において、TESPEL入射実験を実施した。W7-Xでは、TESPELにより予想以上にプラズマ内部にトレーサーを配置できることが分かった他、レーザーブローオフ法との比較により、不純物供給位置の違いが不純物の時間発展、つまり空間分布に大きな影響を与えることも明らかとなった。また、TESPELにより、ホウ素からタングステンまでの非常に広い範囲の不純物の輸送を調査可能であることも明らかとなった。一方、TJ-IIでは、新型コロナウイルス感染症の影響のため、新型TESPELを使用した本格的な実験は実施することができなかったが、予備実験までは実施できた。

トーラスプラズマにおけるHモード電場励起のメカニズム研究

代表 小林 達哉ヘリカル研究部

磁場閉じ込めプラズマにおける電場励起機構を解明するため、トーラスプラズマにおける実験研究を行った。TJ-II(スペイン、CIEMAT)、JFT-2M(日本、JAIRI(現QST))、LHD(日本、核融合科学研究所)など様々な閉じ込め磁場を持つ実験装置にて実験・データ解析を行った。TJ-II装置では、帯状流と定常電場の相互作用に関する研究を行った。JFT-2M装置では、測地線音波(振動帯状流)の励起機構に関する研究を行った。LHDでは、内部輸送障壁の形成メカニズム及びその崩壊原理に関する研究を行った。

磁場閉じ込めプラズマにおける高密度閉じ込め改善の物理的起源の解明

代表 稲垣 滋エネルギー理工学研究所

磁場閉じ込めプラズマでは、高密度化に伴い閉じ込めが改善することが知られているが、その物理的起源や維持機構は未解明である。本研究では、磁化プラズマ実験と乱流シミュレーションを組み合わせ、乱流とゾーナル流の衝突率およびベータ値依存性を体系的に解明する。Vバンド2チャンネルドップラー反射計を開発し、ヘリオトロンJにおいて密度・温度分布および揺動を広い密度領域で計測する。さらにGKVおよびGKNETによる解析と比較することで、勾配・乱流・ゾーナル流の相互作用に基づく輸送機構を明らかにし、高密度プラズマの形成と維持に関する物理的指針を提示する。

先進ヘリカル配位における内部輸送障壁の高密度化と周辺部輸送障壁の両立

代表 小林 進二エネルギー理工学研究所

磁場閉じ込め核融合の炉心条件達成には、輸送障壁と呼ばれる断熱層を形成しプラズマを効率的に高温化することが有効である。申請者らはこれまでに、低磁気シア配位を持つ先進ヘリカル装置ヘリオトロンJにおいて、従来の内部輸送障壁（ITB）の発現密度が2倍以上高い「高密度ITB」の観測に成功した。本研究では、この高密度ITBの形成メカニズムを(1)低次有理面、(2)磁気シア、(3)平行フローシアの3つの観点から、実験及び数値解析を通じて解明することを目指す。加えて、周辺部輸送障壁（ETB）を併用したさらなる高密度プラズマ生成シナリオを開発し、ヘリカル系におけるETB/ITB放電シナリオの確立を図る。

核融合プラズマの周辺領域に及ぼす雪崩現象の大域的輸送特性の解明

代表 金 史良エネルギー理工学研究所

乱流電磁場によるECH高速電子の拡散とトロイダル流駆動トルクの検証

代表 田原 康祐工学研究科

核融合発電の早期実現に向けた重要な課題である乱流輸送の抑制に関連して，磁場閉じ込め方式の核融合プラズマにおける主要な加熱手法である電子サイクロトロン加熱(ECH)によるトロイダル流駆動を介した乱流抑制が注目されている．本研究では，シミュレーション解析に基づいたECHによる乱流輸送抑制効果の検証を目的とする．ECH-乱流間の相互作用を考慮した解析には高コストな大規模シミュレーションを要するため従来研究では十分な解析が為されてこなかった．本研究では現実的なコストのもとで解析を行う手法を提案し，これらの相互作用を考慮したシミュレーションを行うことで，ECHによる乱流輸送抑制効果を定量的に検証する．

炉心および周辺グローバル運動論シミュレーションによる不純物輸送現象の解明

代表 今寺 賢志エネルギー科学研究科

本研究課題では、我々が近年開発を進めている複数の粒子種を取り扱った第一原理コードGKNETの特性を活かして、炉心プラズマにおいてメインの不純物となるヘリウム灰の排気と、燃料である水素同位体の供給の両立を目指した粒子輸送の制御法の開拓を行う。加えて、周辺領域も取り扱えるようにGKNETを拡張することで、周辺プラズマにおける炉壁からの不純物の排気と燃料粒子補給の両立を目指す。

核融合実験プラズマの乱流輸送モデリングによる分布形成過程の予測研究

代表 成田 絵美工学研究科

核融合プラズマの温度と密度の分布形成機構はプラズマを構成する粒子種によって異なることが実験から示唆されている。研究代表者は分布形成の背景にある乱流輸送過程を示しながら密度と温度を予測できる輸送モデルDeKANISを開発してきた。DeKANISは機械学習を利用することで高速な乱流輸送計算を実現しつつ、他の機械学習モデルと異なり、第一原理計算による輸送解析の結果を学習に用いることで乱流輸送過程を調べることを可能にした唯一の輸送モデルである。DeKANISを拡張し、ITER等における核燃焼プラズマの予測において重要である主イオンの水素同位体効果及び不純物イオンの存在を考慮した分布形成機構を解明する。

不純物を含むプラズマにおける径方向輸送とプラズマ回転の自発的な相互形成過程の研究

代表 本多 充工学研究科

高閉じ込めプラズマ実現のために回転予測能力の獲得は極めて重要である。従来の回転研究は外部トルク入力によって高速に回転駆動されたプラズマを対象としてきた一方、外部トルク入力が支配的でないオーミック放電時や電子加熱時などは、従来型の解析・計算手法が適用できず、シミュレーション研究としては手つかずの状況であった。このような状況でも解析可能な、独自開発の輸送コードTASK/TXを用いて、不純物を含む自己無撞着な体系のプラズマにおいて乱流と衝突による輸送によって生じる径方向輸送とプラズマの回転がどのように関係しながら、直接的な外部駆動に依らない自発的な回転分布を形成するか、その普遍的理解を目指す。

データ同化を用いた核融合プラズマの統合輸送シミュレーション

代表 森下 侑哉工学研究科

将来の核融合炉において，核融合プラズマの挙動を高速かつ正確に予測し制御するシステムが必要である．従来のシミュレーションでは，実時間レベルでの高速かつ高精度な予測は難しいため，本研究では，データ同化と核融合プラズマの統合シミュレーションを組み合わせたデータ同化システムASTIの開発を行う．データ同化とは逐次的に得られる観測情報を用いて，モデルの予測能力および解析能力を高める統計的最適化手法である．本研究では，データ同化を用いて，大型ヘリカル装置（LHD）に多数蓄積された実験データから高性能な輸送モデルを構築する手法を開発するとともに，核融合プラズマの制御手法の開発を行う．

トカマクプラズマにおける内部輸送障壁の大域的応答の解明

代表 金 史良エネルギー理工学研究所

本研究は、トカマクプラズマにおける内部輸送障壁(ITB)の制御の鍵を握る大域的輸送特性の解明に向けて、ITBの過渡応答実験を行い熱流束と乱流伝播を同時観測することで、ITBの輸送機構を明らかにすることを目的としている。この目的を達成するために、(i)那珂核融合研究所のJT-60U装置を用いて過渡輸送解析手法を確立し、(ii)米国・ゼネラルアトミックス社のDIII-D装置を用いて固体ペレット入射などによるITBの過渡応答実験を行い、熱流束と乱流の同時観測から因果関係を特定してITBの大域的輸送機構を明らかにしていく。

多粒子種グローバル運動論コードによる選択的加熱を用いた輸送制御方法の開拓

代表 今寺 賢志エネルギー科学研究科

次世代の基幹エネルギー源として期待されている核融合エネルギーの実用化に向けて、粒子と熱の輸送制御に関する研究をスーパーコンピュータを用いた大規模シミュレーションによって行っている。特に本研究では、重水素・三重水素・ヘリウムなど複数の粒子種が存在した系において、どのように輸送制御を行えば、核融合反応に必要な燃料の供給とヘリウム灰の排出が両立可能かについてシミュレーションを用いた解析を行う。併せてそれらのシミュレーション結果を基に、輸送の先進的なモデリングを機械学習を用いて行う。

乱流の非線形性を介在した同位体効果発現機構の実験的検証

代表 大島 慎介エネルギー理工学研究所

近年注目されている、乱流の非線形性を介在し同位体効果が生じるという仮説の実験による実証を目指し、 A. 乱流の非線形特性の実験的観測による同位体効果発現機構の解明 B. 磁場配位制御による、非線形乱流を介在した、同位体効果への影響の検証 を目指す。軽/重水素同位体比を制御し、広いパラメータ領域で乱流と帯状流の非線形結合・競合過程の特性の応答を明らかにする。乱流、そして帯状流を直接観測し、多様な揺動解析手法を駆使し、乱流の素過程およびその非線形特性を評価する。さらに、乱流と帯状流の非線形結合・競合過程の制御ノブとして、磁場の幾何形状（磁場配位）を制御し、同位体効果に影響を与えうるか、解明を目指す。

先進ヘリカル配位のベータ効果が対称性と熱・乱流輸送に与える影響の実験的検証

代表 小林 進二エネルギー理工学研究所

先進ヘリカル配位はプラズマ圧力の上昇にともなう反磁性効果・シャフラノフシフトによる平衡の変化をあらかじめ予測し、目標とするベータ値のプラズマにおいて輸送の改善・配位対称性の向上（ベータ効果）を期待して配位設計されている。本研究では、先進ヘリカル配位におけるベータ効果を実験的に検証することを目的として、１．高ベータプラズマ生成のための粒子補給法の検討、２．プラズマベータがエネルギー閉じ込め・熱輸送とMHD平衡に与える影響の解明、新古典輸送・乱流輸送シミュレーションとの比較、３．プラズマベータとポロイダルフローとの相関の検証、を行う事を計画する。

高エネルギー粒子輸送へのバルクプラズマ乱流の影響

代表 石澤 明宏エネルギー科学研究科

磁場閉じ込め型核融合装置において燃焼プラズマを維持するためには、燃焼によって生じた高エネルギー粒子とそれによって加熱される燃料プラズマそれぞれの良好な閉じ込めを両立させることが必要である。本研究は、この燃焼プラズマの閉じ込め悪化を引きおこす主要な原因となる電磁流体不安定性と乱流輸送を、世界最先端である大域的電磁的ジャイロ運動論シミュレーションを用いて評価することに成功した。そして、乱流と電磁流体不安定性のマルチスケール相互作用によって熱および粒子の輸送は増大し、プラズマ閉じ込め悪化が起こることを明らかにした。この成果をIAEA核融合会議およびNulcear Fusion誌に発表した。

トカマクプラズマにおける乱流場の全域計測と同位体効果の探究

代表 小林 大輝応用力学研究所

磁場閉じ込めプラズマの諸性質は乱流によって支配されていることは周知の事実である。また、近年の研究ではプラズマ乱流は局所的乱流の相関長を超えて結びつく大域性を持つことが示され、同位体効果を含む様々な未解決課題は大域的な乱流の性質に由来すると考えられる。その中でも同位体効果は、特にトカマクプラズマにおいて、重水素が軽水素よりも閉じ込めが良いという経験則であり長年の謎である。本課題では、世界にも類を見ないプラズマ断面全域を観測可能なトモグラフィーと静電プローブによる定量的粒子輸送の空間多点観測に基づき同位体効果の起源をトカマクプラズマにて実験的に探究する。

LH遷移発生条件の予測に向けたプラズマの誘電率の定量化

代表 西澤 敬之応用力学研究所

本研究は、LH遷移の発生条件を予測する新しい指標としてプラズマ径方向誘電率を定量化することを目的とする。PLATOトカマクにおいて、バイアス電極による径電流駆動とHIBPによる径電場計測を組み合わせ、誘電率の形状・磁場・衝突周波数・安全係数・時間スケール依存性を実験的に評価する。誘電率を「プラズマの回転しやすさ」と捉え、回転しやすいプラズマほどLH遷移しやすいという仮説を検証する。最終的には、径電流駆動モデルと統合することで、トカマクやヘリカル装置を含む広範な磁場閉じ込め装置におけるLH遷移予測精度の向上を目指す。

軸対称プラズマの閉じ込め性能のアスペクト比依存性の起源の解明

代表 井戸 毅応用力学研究所

低アスペクト比（トーラス形状の大半径Rと小半径aの比: R /a）を持つ球状トカマクは基本的な磁場構造は標準的なトカマクと同じであるにもかかわらず、そのエネルギー閉じ込め時間の物理パラメータ依存性は、標準的なトカマクのそれと大きく異なっている。本研究は、アスペクト比を球状トカマクから標準的なトカマクの領域まで変化させることができるプラズマ生成手法を開発し、ここに静電乱流と電磁乱流の計測システムと数値シミュレーションシステムを導入することにより、乱流輸送の観点からプラズマ閉じ込めのアスペクト比依存性の物理機構の解明に取り組む。

ダイバータ熱負荷軽減を目指した乱流輸送の定量的研究

代表 小菅 佑輔応用力学研究所

本研究では、核融合炉のダイバータ熱負荷低減に対する乱流輸送の効果を検討する。粒子、熱、運動量の差異を考慮した乱流輸送モデルを用いて、スクレイプオフ層の幅を拡げる乱流が将来の核融合炉で励起されうるかを検討する。帯状流や径方向非線形流（ストリーマー）の効果を含めた輸送を定式化する。その一方で、直線装置や環状装置での実験検証を進める。プローブ群により揺動や乱流フラックスを直接かつ同時に計測し、理論モデルの検証を進める。

プラズマ空間構造の非対称性と乱流輸送の関係の実験的解明

代表 小林 大輝総合理工学府

近年、プラズマ乱流は「不均一」かつ「大域的」であることが明らかになり、大域計測の必要性が高まっている。そこで本研究では、トモグラフィーを用いた大域計測を行うことで明らかになったプラズマの定常的な構造(背景構造)の非対称性とプラズマ乱流の空間構造の歪みの関係を、両者の非線形結合モデルを考え実験データと比較・検証することで明らかにする。また、背景構造の非対称性の影響でプラズマ乱流の空間構造に変化が生じればプラズマ輸送にも多大な影響が生じることが予想される。そこで、プラズマの熱・粒子輸送の評価も同時に行うことで、背景構造に非対称性が乱流変動を介してプラズマ輸送に与える影響を明らかにする。

直線磁化プラズマにおける高次非線形構造形成による輸送ダイナミクスの解明

代表 荒川 弘之医学研究院

プラズマ乱流輸送研究においては、これまで乱流と流れという２体系の相互作用が主に考えられており、孤立渦・飛沫といった高次非線形構造の影響は小さいとして、実験・理論共にほとんど考慮されていなかった。近年の申請者らの研究で３次・４次的に形成された構造観測により、高次非線形構造形成に伴い、輸送が大きく変化する乱流状態を発見した。本研究では、これを更に発展させ、様々な乱流条件において高次非線形構造の輸送を評価し、高次非線形構造による輸送ダイナミクスの系統的理解を目指す。

装置間比較を通じた磁場閉じ込め高温プラズマの同位体効果の解明

代表 木下 稔基総合理工学府

将来の核融合炉で想定されている重水素・三重水素混合プラズマ性能予測する上で軽水素および重水素プラズマにおけるプラズマ性能の違い(同位体効果)や将来の核融合装置を設計する上で異なるプラズマの閉じ込め磁場構造におけるプラズマ性能の違い(磁場配位効果)に関する知見は必要不可欠である．特に熱・粒子輸送はプラズマの閉じ込め性能を決定するため重要である．本研究では主に大型ヘリカル装置(LHD)にて軽水素および重水素実験を行い，熱・粒子輸送の評価および輸送を駆動する乱流揺動の計測を行い，それらの同位体効果についての知見をえる．また，これらの結果について他の装置と比較し，磁場配位効果についても提言する．

マルチスケール乱流によるプラズマ輸送因果性の実証的解明

代表 文 贊鎬応用力学研究所

位相空間乱流遷移モデルの開発と核融合閉じ込めの同位体効果解明への挑戦

代表 小菅 佑輔応用力学研究所

トモグラフィーによるトーラスプラズマ乱流場の大域観測とアイソトープ効果の解明

代表 藤澤 彰英応用力学研究所

本課題では、PLATO (主半径 0.7 m 副半径0.3 m 磁場 0.25 T プラズマ定常時間 100ms以上)の運転領域の拡大およびトモグラフィーなど一部計測器の拡張を実施し、多様な閉じ込め磁場形状対して軽水素および重水素プラズマにおいて乱流場の偏在(対称性の破れ）と結合（大域性）をトモグラフィー（２断面）およびHIBP（１断面）によって大域局所精密観測する。両者の乱流場の構造と機能の関係を、異なる閉じ込め磁場形状の下で捉えアイソトープ効果の物理機構を明らかにする。アイソトープ効果の起源の探究を通して、閉じ込め性能などにおいて高機能な乱流状態を実現する原理を探し出す。

大域的第一原理モデルによる3次元磁場プラズマの乱流・新古典輸送相互作用の解明

代表 松岡 清吉那珂フュージョン科学技術研究所 先進プラズマ研究部

磁場閉じ込めプラズマにおける輸送機構として、衝突に起因する新古典輸送と微視的乱流が駆動する乱流輸送が存在する。従来これらは個別に評価・議論されてきたが、近年、2次元磁場プラズマにおいて乱流輸送が新古典輸送を駆動する新たな輸送チャンネルの存在が示唆され注目されている。 本研究では、3次元磁場閉じ込めプラズマを対象として、第一原理に基づく大域的5次元乱流・新古典輸送シミュレーション研究を実施し、未開拓領域となっている3次元磁場プラズマにおける乱流・新古典相互作用について探求するとともにその物理機構を明らかにする。

第一原理乱流計算と機械学習モデリングによる核融合プラズマの分布形成過程の研究

代表 成田 絵美那珂研究所 先進プラズマ研究部

核融合出力を決定づけるプラズマの密度と温度の予測は重要な研究課題である。密度と温度を支配する乱流輸送は第一原理計算で定量的に評価できるが、計算コストの高さから密度と温度の予測を行う統合型輸送コードには適さず、その計算に第一原理計算から示される輸送物理は反映され難い。 本研究では、複数の物理過程に起因する輸送量を第一原理計算で評価し、その結果を機械学習によって高速に再現する輸送モデルを構築する。統合型輸送コードとの結合で、第一原理計算を反映した密度と温度の分布計算を可能にし、実験から示唆されている「密度・温度の分布形状の硬直性」と「プラズマの粒子種毎の密度分布形状の相違」の原因を解明する。

多スケール乱流に対する径電場勾配と曲率の重畳効果を利用する新たな制御手法の開発

代表 神谷 健作那珂フュージョン科学技術研究所 先進プラズマ研究部

国際熱核融合実験炉ITERで想定されている標準運転においては、閉じ込め改善モードの発生及び制御が重要となる。本研究では、研究代表者によって近年明らかされた多スケール乱流状態に対する径電場勾配と曲率の重畳効果を利用して、各輸送チャンネル（イオン系、電子系及び粒子系）を個別に制御することで、炉心級プラズマ領域においても実現可能な高性能と定常性を併せ持つ代替え運転モードを新しく開拓する。

先進核融合プラズマにおける電子加熱の乱流輸送への影響

代表 吉田 麻衣子那珂フュージョン科学技術研究所 先進プラズマ研究部

燃焼プラズマ条件に近い電子加熱割合(80%)が可能で、低波数から高波数揺動を検出できる揺動計測器群と高空間・時間分解能を有する分布計測器群を有し、先進プラズマ運転領域（高ベータ、弱・負磁気シア）を持つトカマク型実験装置を活用し、電子加熱時のイオン系乱流と電子系乱流の振る舞い、プラズマ輸送・分布の変化を詳細に調べる。スーパーコンピュータを用いて乱流輸送シミュレーションを行い、得られた実験データと比較することで、輸送物理の理解を行うと共に、電子加熱による粒子及びエネルギー閉じ込め劣化を緩和する運転領域を見つけ出す。

第一原理シミュレーションによる3次元磁場プラズマの大域的・動的輸送現象の解明

代表 松岡 清吉那珂フュージョン科学技術研究所 先進プラズマ研究部

近年、核融合研LHDのような3次元磁場閉じ込めプラズマにおいて、大域的・動的な輸送現象を示唆する観測がなされており、閉じ込め性能の向上に向けてその物理機構の解明が重要な課題となっている。3次元磁場プラズマでは、プラズマ乱流輸送と衝突性の新古典輸送が電場を介して強く結合することから、輸送やそれによる分布形成過程を明らかにするためには両者を統一的に扱う第一原理にもとづいた大域的シミュレーションが不可欠となる。本研究課題では、3次元磁場プラズマを対象とした大域的full-fジャイロ運動論シミュレーションモデルを確立し、未解明であった3次元磁場プラズマ内の大域的・動的輸送現象にアプローチする。

磁化閉じ込めプラズマの輸送障壁の動的応答と制御の研究

代表 伊藤 公孝その他の部局

突発問題は、実験室・自然界を問わず、高温プラズマに普遍的に観察され、その核心はトリガー問題にある。本研究では、詳細な実験データが得られる長所を生かし、輸送障壁の突発現象ELM（間欠的崩壊現象）を対象に選ぶ。その発生機構を解明し、発生機序の理解に基づいて、信頼できる制御法を提示することを目的としている。 今後のプラズマ研究に道筋を提示し、学術的波及効果を持つ。実用上にも、制御核融合開発のリスクと不確定性をELM制御により減らすという、大きな波及効果を持つ。

磁化閉じ込めプラズマにおける輸送障壁の動的応答の研究

代表 伊藤 公孝その他の部局

本研究では、磁化閉じ込めプラズマの輸送障壁の動的応答の代表的現象として、特に(a)L-H遷移、(b) 内部輸送障壁の形成機構、さらには(c)H-モード輸送障壁の自律的変動、に関わる動的応答を対象に選ぶ。これらの対象に、最新のプラズマ乱流理論「強相関乱流」の展開を応用する。こうした方法論によって、未解決の諸問題（例えば、L-H遷移での二段階遷移や遅い遷移、内部輸送障壁の発生動態、そしてH-モード障壁でのedge-harmonic oscillation (EHO)や中規模のedge-localized modes (ELM)）に理解を与えモデルを検証する。

データ駆動的アプローチを駆使した自発的な閉じ込め改善メカニズムの特徴抽出

代表 中山 智成工学部

核融合プラズマでは、内部輸送障壁(ITB)などの乱流輸送を低減する圧力分布形成が確認されているが、自発的な形成過程は未だ未解明である。本研究では、申請者が開発してきた連成シミュレーションコードを拡張することで、従来は不可能であった「閉じ込め磁場の時空間変動も考慮した包含的な乱流輸送解析」を実現し、得られた結果に対して「データ駆動的な最適化」を組み合わせることで、これを明らかにする。この研究手法は、多次元空間の構造からの物理の抽出であり、核融合学以外の複雑系に対する解析手法の提案にもつながる。

大域的5次元第一原理モデルのエクサスケール乱流計算による水素同位体混合現象の解明

代表 井戸村 泰宏システム計算科学センター

磁場閉じ込め核融合プラズマの核融合出力を最適化する上で、燃料となる重水素と三重水素の密度比を制御することが重要であり、粒子閉じ込め時間に比べて一桁速い時間スケールで発展する水素同位体混合をもたらす乱流輸送現象が注目されている。本研究ではエクサスケールの大域的5次元第一原理乱流計算を駆使してこの物理機構を解明し、乱流輸送を介して間接的に炉心を制御する新たな手法の開発に貢献する。

プラズマ乱流におけるスケール混合を伴う構造形成

代表 佐々木 真生産工学部

磁場閉じ込めプラズマには背景流れが存在し、乱流輸送に大きな影響を与えることで、多様なプラズマ分布変形を引き起こし、輸送障壁や階段状分布等の凸凹な分布を示す。このような凸凹分布の空間スケールは乱流の波長スケールと同程度となり、すなわちスケール混合が起こる。本研究では、乱流とプラズマ分布のスケール混合過程に焦点を当て、アバランチや階段状分布・輸送障壁を包括する大域的凸凹分布の選択則を明らかにする。従来のスケール分離を仮定せずに、簡約流体モデルに基づく理論解析と乱流シミュレーションとを組み合わせる事で、大域的分布予測・制御指針を得る事を目指す。

拡張MHDコードを取り入れた革新的不純物輸送解析スキームの開発と実験的検証

代表 鈴木 康浩先進理工系科学研究科(工)

これまで、不純物輸送に関して多くの理論的研究・大規模数値シミュレーションが行われたが、輸送された不純物がどのようにプラズマ中に蓄積されるかは明らかになっていない。また、実験でしばしば観測される、磁場構造に依存する不純物蓄積の増大や遮蔽のメカニズムも明らかになっていない。そこで本研究では、不純物分布を考慮した拡張MHDコードとジャイロ運動論・新古典輸送理論に基づく局所輸送コードを統合して反復的に解を求める革新的スキームを開発し、プラズマ中の不純物輸送を考察した。また、不純物分布を2次元で考察できる輻射計測器を開発し、実験的検証を行った。