Fugaku：核融合シミュレーションで発見！
Fugaku:Découvert par simulation de fusion!
Fugaku:Durch Fusionssimulation entdeckt!
Fugaku:Discovered by fusion simulation!
Fugaku：通過融合模擬發現
ー「核燃焼プラズマ閉じ込め改善効果」を発見ー
ー「マルチスケール相互作用」を指摘ー
名古屋大学
理学研究科前山伸也講師、渡邉智彦教授らの研究グループ
核融合科学研究所、
日本原子力研究開発機構、
京都大学2022年6月9日、
スパコン「Fugaku」を用いた大規模シミュレーションを実施した。
その結果
「マルチスケール相互作用」による、
「核燃焼プラズマ閉じ込め改善効果を発見した」と発表した。
「核燃焼実験や核融合原型炉開発への貢献」が期待される。
磁場閉じ込め型核融合炉：
- 円環状の強力な磁場（～5T）を、
- 超電導コイルで作り、1億度の高温、高圧プラズマで閉じ込める装置だ。
- 核融合反応を引き起こし、そこからエネルギーを取り出そうという試みとなる。
国際熱核融合実験炉
ITERの開発現在、核融合炉の工学的実証に向け、
「10倍以上のエネルギー増倍率を目指したITERの開発」が進められている。
核融合プラズマの乱流問題：
- 核融合プラズマ中では、
- 急峻な密度、温度勾配で生じる乱流が、
- 「プラズマ閉じ込め性能を、劣化させてしまう問題」が知られている。
「閉じ込め性能を左右するプラズマ乱流の物理機構の解明」が重要な研究課題だ。
「マルチスケール相互作用」を指摘：
研究グループは、
- 「イオンの乱流」に対し、
- 「電子が作る極微細な乱流」が影響を及ぼす、
- 「マルチスケール相互作用」を指摘した。
米欧の実験装置でも検証が進められている。
高電子温度・多粒子種混合プラズマ
マルチスケール乱流シミュレーション「ジャイロ運動論的シミュレーションコード・GKV」を共同開発した。
スパコン「Fugaku」：
- 核燃焼プラズマを想定した、
- 高電子温度、多粒子種混合プラズマでの、
- マルチスケール乱流シミュレーションを実行した。
シミュレーション実行結果：
「大きなイオンスケールの乱流揺らぎ」と、
「極微細な電子スケールの乱流揺らぎ」が、「共存している様子」を観察した。
今回解析したケース：
「弱磁場側を運動する捕捉電子との粒子/波動共鳴」が、
「イオンスケールの揺らぎを作り出す不安定性」で、重要となることが判明した。
また、マルチスケール乱流場中でも、この共鳴粒子を解析した。
電子スケール乱流が作り出す、
「極微細な電場揺らぎで、共鳴粒子軌道が乱れること」及び、
「時に、大きな半径方位変位のずれを生むこと」が明白になった。
乱流輸送束の解析結果：
「乱流輸送束の電子温度依存性」を解析した。
この際に、「従来のイオン、電子単一スケールシミュレーションとの比較」も実施した。
正味の乱流輸送束に、
- こうしたマルチスケール相互作用が、どの程度影響を及ぼすか？
- 高電子温度となる将来の核燃焼プラズマで、影響しうるか？
マルチスケール相互作用の影響を調べた。
その結果：
「電子温度が高くなるにつれ、電子スケール乱流の寄与」が減少していく。
「イオンスケール乱流の寄与は増大する」という線形理論と、一致する傾向が得られた。
さらに、
「マルチスケール相互作用」を介して、
「イオンスケール乱流を電子スケール乱流で制する状況が存在すること」を発見した。
今回の研究の意義：
「スケールが離れた乱流の間の相互阻害性」という、
新たなプラズマ物理学的知見を示唆している。
核融合工学の観点：
核燃焼プラズマで想定される、
「電子/イオン温度比1を超える高電子温度領域」でも、
「電子スケール乱流が影響を与えうること」を証明した。
特に、
電子スケール乱流による、
「イオンスケール乱流の安定化」によって、
「乱流輸送束が低減されるパラメータ領域が存在すること」を明らかにした。
– fabcross for エンジニア
https://engineer.fabcross.jp/archeive/220609_nagoya-uac.html
Fugaku : Découvert par simulation de fusion !
-Découverte “effet d’amélioration du confinement du plasma de combustion nucléaire”-
-A souligné “l’interaction multi-échelles”-
Université de Nagoya
École supérieure des sciences
Groupe de recherche du professeur Shinya Maeyama et du professeur Tomohiko Watanabe
Institut national des sciences de la fusion,
Agence japonaise de l’énergie atomique,
Université de Kyoto
9 juin 2022,
Une simulation à grande échelle utilisant le supercalculateur “Fugaku” a été réalisée.
par conséquent
Par « interaction multi-échelles »
“Nous avons découvert l’effet d’améliorer le confinement du plasma de fusion nucléaire.”
Une “contribution aux expériences de combustion nucléaire et au développement de prototypes de réacteurs à fusion” est attendue.
Réacteur de fusion par confinement magnétique :
Un fort champ magnétique annulaire (~ 5T),
Il s’agit d’un dispositif composé de bobines supraconductrices et confiné avec un plasma à haute température et haute pression de 100 millions de degrés Celsius.
C’est une tentative de déclencher une réaction de fusion et d’en extraire de l’énergie.
Réacteur expérimental thermonucléaire international
Développement d’ITER
Actuellement, pour la démonstration technique des réacteurs à fusion,
“Le développement d’ITER visant un facteur de multiplication énergétique de 10 fois ou plus” est en cours.
Problème de turbulence du plasma de fusion :
Dans le plasma de fusion,
Turbulence générée par les fortes densités et les gradients de température
Le “problème qui détériore les performances de confinement du plasma” est connu.
“L’élucidation du mécanisme physique de la turbulence du plasma qui influence les performances de confinement” est un sujet de recherche important.
“Interaction multi-échelles” soulignée :
Le groupe de recherche
Pour “flux turbulent d’ions”
“La turbulence ultra-fine créée par les électrons” a un effet,
Il a souligné “l’interaction multi-échelles”.
Des vérifications sont également en cours avec des équipements expérimentaux aux États-Unis et en Europe.
Plasma mixte multi-particules à haute température électronique
Simulation de turbulence multi-échelles
Co-développé “Code de simulation gyrocinétique GKV”.
Supercalculateur “Fugaku”:
En supposant un plasma de fusion nucléaire,
A haute température électronique, plasma mixte multi-particules,
Une simulation de turbulence multi-échelles a été réalisée.
Résultat de l’exécution de la simulation :
« Fluctuations turbulentes à grande échelle ionique »,
Nous avons observé que des « fluctuations turbulentes ultra-fines à l’échelle électronique » coexistaient.
Cas analysé cette fois :
“Résonance particule / onde avec des électrons capturés se déplaçant du côté du champ magnétique faible”
Il s’est avéré important dans “l’instabilité qui crée des fluctuations dans l’échelle ionique”.
Nous avons également analysé ces particules résonnantes même dans un champ turbulent multi-échelle.
La turbulence de l’échelle électronique crée,
“Les orbites des particules résonnantes sont perturbées par des fluctuations de champ électrique ultra-fines” et
Il est devenu clair que “parfois, cela provoque un grand décalage de déplacement radial”.
Résultat d’analyse du faisceau de transport turbulent :
“La dépendance à la température électronique du faisceau de transport turbulent” a été analysée.
A cette époque, une “comparaison avec la simulation conventionnelle à une seule échelle ion-électron” a également été effectuée.
Pour un faisceau de transport turbulent net,
Dans quelle mesure ces interactions multi-échelles vous affectent-elles ?
Peut-il affecter les futurs plasmas de fusion nucléaire avec des températures d’électrons élevées ?
Nous avons étudié les effets des interactions multi-échelles.
par conséquent:
“Lorsque la température des électrons augmente, la contribution de la turbulence à l’échelle des électrons” diminue.
Il y avait une tendance à être d’accord avec la théorie linéaire selon laquelle “la contribution de la turbulence à l’échelle ionique augmente”.
en outre,
Par “l’interaction multi-échelles”
Il a été découvert qu ‘”il existe une situation où la turbulence à l’échelle des ions est contrôlée par la turbulence à l’échelle des électrons”.
Importance de cette recherche :
“Inhibition mutuelle entre écoulements turbulents hors échelle”
Il suggère de nouvelles découvertes en physique des plasmas.
Point de vue de l’ingénierie de la fusion :
Assumé par le plasma de fusion nucléaire,
Même dans la “région de température électronique élevée où le rapport de température électron / ion dépasse 1”,
Il a prouvé que “la turbulence à l’échelle électronique peut avoir un effet”.
surtout,
En raison de la turbulence de la balance électronique
Par “stabilisation de la turbulence à l’échelle ionique”
Il a été précisé qu'”il existe une région paramétrique où le faisceau de transport turbulent est réduit”.
–fabcross pour ingénieur
Fugaku: Durch Fusionssimulation entdeckt!
-Entdeckter “Effekt der Verbesserung des Einschlusses von nuklearem Verbrennungsplasma”-
-Hinwies auf “Multi-Skalen-Interaktion”-
Nagoya-Universität
Graduiertenschule für Naturwissenschaften
Forschungsgruppe von Professor Shinya Maeyama und Professor Tomohiko Watanabe
Nationales Institut für Fusionswissenschaft,
Japanische Atomenergiebehörde,
Universität Kyoto
9. Juni 2022,
Es wurde eine groß angelegte Simulation mit dem Supercomputer „Fugaku“ durchgeführt.
als Ergebnis
Durch “Multi-Skalen-Interaktion”
“Wir haben den Effekt der Verbesserung des Einschlusses von Kernfusionsplasma entdeckt.”
“Beitrag zu nuklearen Verbrennungsexperimenten und Entwicklung von Fusionsprototypen” wird erwartet.
Fusionsreaktor mit magnetischem Einschluss:
Ein starkes ringförmiges Magnetfeld (~ 5T),
Es handelt sich um ein Gerät aus supraleitenden Spulen, das in ein Hochtemperatur-Hochdruckplasma von 100 Millionen Grad Celsius eingeschlossen ist.
Es ist ein Versuch, eine Fusionsreaktion auszulösen und ihr Energie zu entziehen.
Internationaler thermonuklearer Versuchsreaktor
Entwicklung von ITER
Derzeit für die technische Demonstration von Fusionsreaktoren,
„Die Entwicklung von ITER mit dem Ziel eines Energievervielfachungsfaktors von 10 oder mehr“ ist im Gange.
Problem der Fusionsplasmaturbulenz:
Im Fusionsplasma
Turbulenzen, die durch steile Dichten und Temperaturgradienten erzeugt werden
Das “Problem, das die Leistung des Plasmaeinschlusses verschlechtert” ist bekannt.
„Aufklärung des physikalischen Mechanismus der Plasmaturbulenz, der die Einschlussleistung beeinflusst“ ist ein wichtiges Forschungsthema.
Hervorgehobene “Multiskalen-Interaktion”:
Die Forschungsgruppe
Für “turbulente Ionenströmung”
“Ultrafeine Turbulenz erzeugt durch Elektronen” wirkt,
Er wies auf „Multiskalen-Interaktion“ hin.
Die Verifizierung ist auch mit experimentellen Geräten in den Vereinigten Staaten und Europa im Gange.
Hohe Elektronentemperatur, Mehrteilchen-Mischplasma
Multiskalige Turbulenzsimulation
Mitentwickelter “Kreiselkinetik-Simulationscode GKV”.
Supercomputer “Fugaku”:
Unter der Annahme von Kernfusionsplasma,
Bei hoher Elektronentemperatur, Mehrteilchen-Mischplasma,
Es wurde eine mehrskalige Turbulenzsimulation durchgeführt.
Ergebnis der Simulationsausführung:
“Turbulente Fluktuationen im großen Ionenmaßstab”,
Wir beobachteten, dass “ultrafeine turbulente Fluktuationen im Elektronenmaßstab” gleichzeitig existierten.
Diesmal analysierter Fall:
“Teilchen-/Wellenresonanz mit eingefangenen Elektronen, die sich auf der Seite des schwachen Magnetfelds bewegen”
Es stellte sich als wichtig heraus bei “Instabilität, die Schwankungen in der Ionenskala erzeugt”.
Wir haben diese resonanten Teilchen auch in einem mehrskaligen turbulenten Feld analysiert.
Turbulenzen der elektronischen Waage erzeugen,
“Resonante Teilchenbahnen werden durch ultrafeine elektrische Feldfluktuationen gestört” und
Es wurde deutlich, dass “manchmal eine große radiale Verschiebung verursacht wird”.
Analyseergebnis des turbulenten Transportbündels:
“Elektronische Temperaturabhängigkeit des turbulenten Transportbündels” wurde analysiert.
Zu diesem Zeitpunkt wurde auch ein “Vergleich mit der herkömmlichen Ion-Elektron-Einskalensimulation” durchgeführt.
Für ein turbulentes Netto-Transportbündel gilt:
Inwieweit wirken sich diese Multiskalen-Interaktionen auf Sie aus?
Kann es zukünftige Kernfusionsplasmen mit hohen Elektronentemperaturen beeinflussen?
Wir untersuchten die Auswirkungen von Multiskalen-Wechselwirkungen.
als Ergebnis:
“Wenn die Elektronentemperatur ansteigt, nimmt der Beitrag der Turbulenz im Elektronenmaßstab” ab.
Es gab eine Tendenz, der linearen Theorie zuzustimmen, dass “der Beitrag der Turbulenz auf der Ionenskala zunimmt”.
Außerdem,
Durch „Multiscale Interaction“
Es wurde entdeckt, dass “es eine Situation gibt, in der Turbulenzen im Ionenmaßstab durch Turbulenzen im Elektronenmaßstab gesteuert werden”.
Bedeutung dieser Forschung:
“Gegenseitige Hemmung zwischen turbulenten Strömungen außerhalb der Waage”
Es deutet auf neue Erkenntnisse der Plasmaphysik hin.
Fusion Engineering-Perspektive:
Vom Kernfusionsplasma angenommen,
Sogar im “Hochelektronentemperaturbereich, in dem das Elektron/Ionen-Temperaturverhältnis 1 übersteigt”,
Es bewies, dass “Turbulenzen im Elektronenmaßstab eine Wirkung haben können”.
besonders,
Aufgrund von Turbulenzen der elektronischen Waage
Durch “Stabilisierung der Ionenschuppenturbulenz”
Es wurde klargestellt, dass “es einen Parameterbereich gibt, in dem das turbulente Transportbündel reduziert ist”.
–fabcross für Ingenieur
Multi-scale turbulence simulation suggesting improvement of electron heated plasma confinement
Nature Communications
Abstract
Turbulent transport
is a key physics process for confining magnetic fusion plasma.
Recent theoretical and experimental studies of existing fusion experimental devices
revealed the existence of cross-scale interactions between small (electron)-scale and large (ion)-scale turbulence.
Since conventional turbulent transport modelling lacks cross-scale interactions,
it should be clarified whether cross-scale interactions are needed to be considered in future experiments on burning plasma,
whose high electron temperature is sustained with fusion-born alpha particle heating.
Here,
we present supercomputer simulations showing
that electron-scale turbulence in high electron temperature plasma can affect the turbulent transport of not only electrons but also fuels and ash.
Electron-scale turbulence
disturbs the trajectories of resonant electrons responsible for ion-scale micro-instability and suppresses large-scale turbulent fluctuations.
Simultaneously,
ion-scale turbulent eddies also
suppress electron-scale turbulence.
These results indicate a mutually exclusive nature of turbulence with disparate scales.
We demonstrate the possibility of reduced heat flux via cross-scale interactions.