核融合プラズマ中の間欠的バースト現象をスーパーコンピュータにより初めて解明

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計算機シミュレーションによるイータープラズマの性能予測精度を大きく向上

2018/09/07  国立研究開発法人量子科学技術研究開発機構,大学共同利用機関法人自然科学研究機構核融合科学研究所

発表のポイント
  •  国際熱核融合実験炉イーターにおいて、プラズマの安定運転に大きな影響を与える可能性がある間欠的バースト現象(高速粒子の大量損失)の発生原因が、高速粒子と電磁波の相互作用であることを明らかにした。
  •  この成果は、量子科学技術研究開発機構六ヶ所核融合研究所と核融合科学研究所との共同研究により、時間スケールが大きく異なる現象を効率良く計算できる斬新な計算手法を開発してシミュレーションに導入することで得られたものである。
  •  シミュレーションを成功させるに当たっては、六ヶ所核融合研究所の核融合専用スーパーコンピュータの計算能力を最大限に活用した。
  •  本成果により、核融合プラズマの性能予測精度が大きく向上し、間欠的バーストを避けて安定にプラズマを運転する手法の確立に見通しが得られた。
  •  この成果は Nature Communications 2018 年 8 月 16 日号に掲載された。

国立研究開発法人量子科学技術研究開発機構(理事長 平野俊夫。以下「量研」という。)と大学共同利用機関法人自然科学研究機構核融合科学研究所(所長 竹入康彦。以下「核融合研」という。)は、核融合炉に必要なプラズマの安定運転に大きな影響を与える可能性がある間欠的バースト現象の解明に共同で成功しました。
プラズマ中の高速粒子が瞬時に大量損失する同現象は、これまで臨界プラズマ試験装置JT-60 で観測されており、プラズマ中の高速粒子と電磁波の相互作用によるものと考えられていました。しかしながら、両者の時間スケールが数十ミリ秒と数 100 マイクロ秒と数百倍も異なっていることから、この 2 つの相互作用を正確にシミュレーションで再現することは不可能でした。今回、異なる時間スケールの現象を、時間軸に沿って 2 つの現象の重要な情報を失うことなく、交互に切り替えて計算する数値計算手法を開発し、同手法による大規模シミュレーションを量研・六ヶ所核融合研究所にある核融合専用スーパーコンピュータにて実施しました。その結果、JT-60 で観測された間欠的バースト現象を正確に再現することに成功し、この現象が高速粒子と電磁波の相互作用に起因することを初めて確証しました(図 1 及び図2参照)。この成果は、核融合反応により高速粒子を発生する国際熱核融合実験炉イーターのプラズマ性能の予測精度を格段に向上させるものです。さらに、間欠的バースト現象の回避条件を示すことで核融合炉の安定運転手法の確立に大きく貢献するものです。
今回の成果は、六ヶ所核融合研究所の数値トカマク実験計画と核融合研の数値実験炉研究プロジェクトの研究協力により得られたものです。
本成果は、世界で最も権威のある学術雑誌の一つである Nature Communications 2018 年 8 月 16 日号に掲載されました。

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