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海老原 健一; 関根 大貴*; 崎山 裕嗣*; 高橋 淳*; 高井 健一*; 大村 朋彦*
International Journal of Hydrogen Energy, 48(79), p.30949 - 30962, 2023/09
被引用回数：0 パーセンタイル：0.01(Chemistry, Physical)鉄鋼材料の応力腐食割れの1つである水素脆化を理解するには、鋼材中の水素分布を知る必要があり、それには昇温脱離スペクトルの数値シミュレーションによる解釈が有効である。溶接金属やTRIP鋼において残留オーステナイト(RA)は昇温脱離スペクトルに顕著な影響を与えるが、明確な水素分布についてはこれまでよく知られていない。本研究では、高炭素フェライト-オーステナイト二相鋼の既報の水素昇温脱離スペクトルを、独自にコード化した二次元モデルによって数値シミュレーションし、水素は、その鋼材に含まれる量が少ないときは炭化物表面に、その量が多くなると二相界面に、主にトラップされることを明らかとした。また、界面トラップの水素の脱離ピークの試料厚さ依存性が、従来とは異なる理由で発現することも明らかとなった。
渡邉 智彦*; 井戸村 泰宏; 藤堂 泰*; 本多 充*
日本原子力学会誌ATOMO
, 64(3), p.152 - 156, 2022/03
磁場閉じ込め核融合の科学的実証に向けたITER実験で想定される核燃焼プラズマの閉じ込め性能予測においては、粒子,運動量,熱の輸送を担う物理過程の理解が重要である。スーパーコンピュータ「富岳」を用いた第一原理シミュレーションにより、重水素・三重水素プラズマにおけるマルチスケール乱流が関わる複合輸送過程や、電磁揺動による高エネルギー粒子輸送に対する運動論効果などの物理機構が明らかとなった。核燃焼プラズマの性能予測に資する第一原理シミュレーションについて、さらなる研究開発を進めている。
井戸村 泰宏; 渡邉 智彦*; 藤堂 泰*
シミュレーション, 38(2), p.79 - 86, 2019/06
次世代核融合実験炉ITERにおける炉心プラズマ性能の評価・予測、および、より高性能な炉心運転シナリオの探索に向けて、ポスト「京」をターゲットとするエクサスケール核融合プラズマシミュレーションの研究開発を推進している。本稿では、これまでに開発してきたエクサスケール計算技術や既存実験装置を対象とする実証研究の成果を紹介し、ポスト「京」における核融合プラズマシミュレーションの展望を議論する。
前山 伸也*; 渡邉 智彦*; 井戸村 泰宏; 仲田 資季*; 沼波 政倫*
Computer Physics Communications, 235, p.9 - 15, 2019/02
被引用回数：5 パーセンタイル：45.72(Computer Science, Interdisciplinary Applications)陰的時間積分スキームを用いてSugama衝突演算子をジャイロ運動論的ブラゾフコードGKVに実装した。新手法はオペレータスプリッティング、陰的時間積分、クリロフ部分空間反復法ソルバを用いており、線形化衝突演算子の詳細に依存しない汎用的な手法となっている。数値計算テストでは衝突項が制限する時間ステップ幅を超えて安定な計算が実証できた。データ転置を用いることで、反復計算中に通信が発生しない分散メモリシステムにおける効率的実装を実現した。これにより、本手法は計算効率向上と計算コスト削減を同時に達成し、アプリケーションの全体性能を大きく加速する。
前山 伸也*; 渡邉 智彦*; 井戸村 泰宏; 仲田 資季*; 石澤 明宏*; 沼波 政倫*
Nuclear Fusion, 57(6), p.066036_1 - 066036_10, 2017/05
被引用回数：16 パーセンタイル：65.35(Physics, Fluids & Plasmas)電子およびイオン温度勾配(ETG/ITG)モードを含むマルチスケールプラズマ乱流を電磁的ジャイロ運動論シミュレーションによって調べた。非線形モード結合の3波移行解析により、電子スケールとイオンスケールのスケール間相互作用を明らかにした。この相互作用の1つは、イオンスケール乱流による電子スケール乱流の抑制である。ここで、ITGが駆動する短波長の渦がせん断流れのように作用し、ETG乱流を抑制する。もう一つのスケール間相互作用は、電子スケール乱流の存在下でのイオンスケール乱流の増大である。これは、短波長の帯状流によって引き起こされる。この帯状流はITG乱流における運動論的通過電子の応答によって生成され、剪断によってITG乱流を抑制し、ETG乱流によって減衰される。どちらの場合も、電子スケールとイオンスケールの間のサブイオンスケールの構造が、スケール間相互作用において重要な役割を果たす。
石澤 明宏*; 井戸村 泰宏; 今寺 賢志*; 糟谷 直宏*; 菅野 龍太郎*; 佐竹 真介*; 龍野 智哉*; 仲田 資季*; 沼波 政倫*; 前山 伸也*; et al.
プラズマ・核融合学会誌, 92(3), p.157 - 210, 2016/03
幅広いアプローチ協定に基づいて国際核融合エネルギー研究センター(IFERC)の計算機シミュレーションセンター(CSC)に設置された高性能計算機システムHeliosは、2012年1月に運用を開始し、日欧の磁気核融合シミュレーション研究に供用され、高い利用率の実績を示すとともに、炉心プラズマ物理から炉材料・炉工学にわたる広い分野で多くの研究成果に貢献している。本プロジェクトレビューの目的は、国内の大学や研究機関においてHeliosを利用して進められているシミュレーション研究プロジェクトとその成果を一望するとともに、今後予想される研究の進展を紹介することである。はじめにIFERC-CSCの概要を示した後、各研究プロジェクト毎にその目的、用いられる計算手法、これまでの研究成果、そして今後必要とされる計算を紹介する。
前山 伸也; 渡邉 智彦*; 井戸村 泰宏; 仲田 資季; 沼波 政倫*; 石澤 明宏*
Parallel Computing, 49, p.1 - 12, 2015/11
被引用回数：7 パーセンタイル：52.66(Computer Science, Theory & Methods)Optimization techniques of a plasma turbulence simulation code GKV for improved strong scaling are presented. This work is motivated by multi-scale plasma turbulence extending over multiple spatio-temporal scales of electrons and ions, whose simulations based on the gyrokinetic theory require huge calculations of five-dimensional (5D) computational fluid dynamics by means of spectral and finite difference methods. First, we present the multi-layer domain decomposition of the multi-dimensional and multi-species problem, and segmented MPI-process mapping on 3D torus interconnects, which fully utilizes the bi-section bandwidth for data transpose and reduces the conflicts of simultaneous point-to-point communications. These techniques reduce the inter-node communication cost drastically. Second, pipelined computation-communication overlaps are implemented by using the OpenMP/MPI hybrid parallelization, which effectively mask the communication cost. Thanks to the above optimizations, GKV achieves excellent strong scaling up to 
600 k cores with high effective parallelization rate 99.99994% on K, which demonstrates its applicability and efficiency toward a million of cores. The optimized code realizes multi-scale plasma turbulence simulations covering electron and ion scales, and reveals cross-scale interactions of electron- and ion-scale turbulence.
前山 伸也*; 井戸村 泰宏; 渡邉 智彦*; 仲田 資季*; 矢木 雅敏; 宮戸 直亮; 石澤 明宏*; 沼波 政倫*
Physical Review Letters, 114(25), p.255002_1 - 255002_5, 2015/06
被引用回数：92 パーセンタイル：95.19(Physics, Multidisciplinary)実イオン・電子質量比かつ実
値のマルチスケールジャイロ運動論的乱流シミュレーションをはじめて実現した。ここで、値はプラズマ圧力と磁気圧の比によって与えられ、微視的不安定性に対する電磁効果を特徴付ける。電子・イオンスケールのスケール間相互作用を明らかにするために両スケールにおける数値解析を行った。実質量比のスケール分離があっても、イオンスケール乱流が電子スケールストリーマを消去し、イオンだけでなく電子の熱輸送も支配する。また、イオンスケールモードが有限効果によって安定化される場合には乱流輸送への電子スケールダイナミクスの寄与は無視できなくなり、イオンスケール乱流輸送を増大させることがわかった。
渡邉 智彦*; 井戸村 泰宏; 前山 伸也; 仲田 資季; 洲鎌 英雄*; 沼波 政倫*; 石澤 明宏*
Journal of Physics; Conference Series, 510, p.012045_1 - 012045_11, 2014/05
被引用回数：1 パーセンタイル：49.71(Computer Science, Interdisciplinary Applications)配位空間と速度空間を含む位相空間において分布関数と電磁場の揺らぎを伴うプラズマ乱流が発展する。磁場核融合プラズマにおける分布関数の詳細構造を超並列計算機上で実行されるジャイロ運動論シミュレーションによって明らかにした。ドリフト波乱流のジャイロ運動論シミュレーションによって位相空間におけるエントロピー移送、ヘリカル磁場による帯状流の増大と輸送低減を示した。最先端の高性能数値計算をイオンスケールと電子スケールを含むマルチスケール乱流シミュレーション、および、ITER規模の大域的乱流輸送シミュレーションに適用した。
前山 伸也; 石澤 明宏*; 渡邉 智彦*; 仲田 資季; 宮戸 直亮; 矢木 雅敏; 井戸村 泰宏
Physics of Plasmas, 21(5), p.052301_1 - 052301_12, 2014/05
被引用回数：15 パーセンタイル：59(Physics, Fluids & Plasmas)Electromagnetic turbulence driven by kinetic ballooning modes (KBMs) in high-beta plasma is investigated based on the local gyrokinetic model. Analysis of turbulent fluxes, norms and phases of fluctuations shows that KBM turbulence gives narrower spectra and smaller phase factors than those in ion-temperature-gradient (ITG)-driven turbulence. This leads to the smaller transport fluxes in KBM turbulence than those in ITG turbulence even when they have similar linear growth rates. From the analysis of the entropy balance relation, it is found that the entropy transfer from ions to electrons through the field-particle interactions mainly drives electron perturbations, which creates radially twisted modes by rapid parallel motions of electrons in a sheared magnetic geometry. The nonlinear coupling between the dominant unstable mode and its twisted modes is important for the saturation of KBM turbulence, in contrast to the importance of zonal flow shearing in ITG turbulence.
前山 伸也; 石澤 明宏*; 渡邉 智彦*; 仲田 資季; 宮戸 直亮; 井戸村 泰宏
Plasma and Fusion Research (Internet), 9, p.1203020_1 - 1203020_3, 2014/03
The kinetic ballooning mode (KBM) turbulence in Tokamak plasma is investigated by electromagnetic gyrokinetic simulations. From the entropy balance analysis, it is revealed that the field-particle interactions transfer a significant fraction of the ion entropy produced by the instability to electrons. Then, the produced ion entropy balances to the sum of the ion and electron dissipations at the saturation of the KBM instability growth, in contrast to ITG turbulence where ion entropy production mostly balances to ion dissipation.
井戸村 泰宏; 仲田 資季; 山田 進; 町田 昌彦; 今村 俊幸*; 渡邉 智彦*; 沼波 政倫*; 井上 晃*; 堤 重信*; 三吉 郁夫*; et al.
International Journal of High Performance Computing Applications, 28(1), p.73 - 86, 2014/02
被引用回数：17 パーセンタイル：76.04(Computer Science, Hardware & Architecture)A plasma turbulence research based on five dimensional (5D) gyrokinetic simulations is one of the most critical and demanding issues in fusion science. To pioneer new physics regimes both in problem sizes and in time scales, an improvement of strong scaling is essential. In this work, the strong scaling and the parallel efficiency of a gyrokinetic toroidal 5D Eularian code GT5D is dramatically improved by novel developing communication overlap techniques. On the K-computer, excellent strong scaling is achieved beyond 100 k cores with keeping the sustained performance of 10% ( 307 TFlops using 196,608 cores), and simulations for next generation large-scale fusion experiments are significantly accelerated.
海老原 健一; 岩本 隆*; 松原 幸生*; 山田 紘樹*; 岡村 司*; 漆原 亘*; 大村 朋彦*
ISIJ International, 54(1), p.153 - 159, 2014/01
被引用回数：13 パーセンタイル：53.08(Metallurgy & Metallurgical Engineering)応力腐食割れの原因の1つである水素脆化の機構の理解には、鋼材中における水素の偏析位置(水素存在状態)を同定する必要がある。鋼材試料の一定割合での加熱で脱離する水素の量と試料温度との関係である水素熱脱離曲線は、水素存在状態を同定する有効なデータである。本論文では、実験室でよく用いる方法と実環境での水素侵入を模擬した方法の2通りで予ひずみを与えた高強度鋼に水素を添加した場合、両者の間で見られる水素熱脱離曲線の違いを数値解析で考察した。その結果、両者の違いは添加水素量による初期水素分布の違いに起因することが分かった。また、添加水素量が少ない場合、熱脱離曲線が初期水素分布に影響されやすいことが分かった。尚、本研究は、日本鉄鋼協会における「水素脆化研究の基盤構築」研究会(2009年-2013年)において実施された。
前山 伸也; 渡邉 智彦*; 井戸村 泰宏; 仲田 資季; 沼波 政倫*; 石澤 明宏*
Plasma and Fusion Research (Internet), 8, p.1403150_1 - 1403150_8, 2013/11
We extend our gyrokinetic Vlasov simulation code GKV to run efficiently on peta-scale supercomputers. A key numerical technique is the parallel Fast Fourier Transform (FFT) required for parallel spectral calculations, where masking of the cost of inter-node transpose communications is essential to improve strong scaling. To mask communication costs, computation-communication overlap techniques are applied for FFTs and transpose with the help of the hybrid parallelization of message passing interface and open multi-processing. Integrated overlaps including whole spectral calculation procedures show better scaling than simple overlaps of FFTs and transpose. The masking of communication costs significantly improves strong scaling of the GKV code, and makes substantial speed-up toward multi-scale turbulence simulations.
海老原 健一; 岩本 隆*; 三輪 則暁*; 山田 紘樹*; 岡村 司*; 漆原 亘*; 大村 朋彦*
「水素脆化研究の基盤構築」研究会報告書, p.21 - 26, 2013/10
応力腐食割れの1つの原因である水素脆化の機構の理解に資するために参加した日本鉄鋼協会の「水素脆化研究の基盤構築」研究会では、鉄鋼の水素脆化評価に適切な水素添加方法を探るため、異なる鋼種の試料に異なる方法で水素を添加し、昇温脱離分析で得られる水素熱脱離曲線及び添加水素量について評価した。本発表は、その研究会での成果に関する一連の最終報告の一部である。発表では、ISIJ International誌に掲載が決定している論文の内容を中心に、低合金鋼の水素熱脱離曲線の数値シミュレーションによる考察について講演する。特に、熱脱離曲線を形成する脱離水素を捕獲する鋼材中の欠陥の種類に対する考察、及び実験によるその同定方法について、より詳細に解説する。
渡邉 智彦*; 井戸村 泰宏
プラズマ・核融合学会誌, 89(3), p.171 - 179, 2013/03
This review article summerizes coding techniques of Vlasov simulations for fusion plasmas. Numerical methods, parallelization models, and optimization techniques are explained both for local flux tube and global gyrokinetic Vlasov (or Eulerian) codes. Advanced coding techniques such as the shared cache optimization on multi-core platforms and the communication overlap techniques are also presented.
井戸村 泰宏; 仲田 資季; 山田 進; 町田 昌彦; 今村 俊幸*; 渡邉 智彦*; 沼波 政倫*; 井上 晃*; 堤 重信*; 三吉 郁夫*; et al.
Proceedings of 31st JSST Annual Conference; International Conference on Simulation Technology (JSST 2012) (USB Flash Drive), p.234 - 242, 2012/09
A plasma turbulence research based on 5D gyrokinetic simulations is one of the most critical and demanding issues in fusion science. To pioneer new physics regimes both in problem sizes and in time scales, an improvement of strong scaling is essential. Overlap of computations and communications is a promising approach to improve strong scaling, but it often fails on practical applications with conventional MPI libraries. In this work, this classical issue is clarified, and resolved by developing communication overlap techniques with mpi_test and communication threads, which work even on conventional MPI libraries and network hardwares. These techniques dramatically improve the parallel efficiency of a gyrokinetic Eularian code GT5D on K and Helios, which adopt dedicated and commodity networks.
佐竹 真介*; 井戸村 泰宏; 洲鎌 英雄*; 渡邉 智彦*
Computer Physics Communications, 181(6), p.1069 - 1076, 2010/06
被引用回数：34 パーセンタイル：83.69(Computer Science, Interdisciplinary Applications)ドリフト運動論方程式とジャイロ運動論方程式をトロイダルプラズマにおいて解析する2つのシミュレーションコードに対して新古典輸送の計算結果の比較によるベンチマークを行った。トカマク配位においては、新古典熱流束、及び、平行平均流を径電場と温度勾配に関係づける力の釣り合いの式を2つのコードで比較し、さらにそれらを局所新古典輸送理論とも比較した。この結果、2つのコードの計算結果は広範なプラズマ衝突度パラメータ領域
において非常によく一致し、また、理論評価とも一致することを確認した。径電場と粒子束の時間発展、及び、測地線モード周波数の径方向分布に関しても非常に良い一致が見られた。
Garbet, X.*; 井戸村 泰宏; Villard, L.*; 渡邉 智彦*
Nuclear Fusion, 50(4), p.043002_1 - 043002_30, 2010/04
被引用回数：265 パーセンタイル：74.19(Physics, Fluids & Plasmas)本レビュー論文では核融合プラズマにおける乱流輸送を計算するジャイロ運動論的シミュレーションの現状評価を行い、ジャイロ運動論の紹介,ジャイロ運動論方程式の主要な数値解法,ジャイロ運動論的乱流現象の基礎過程、及び、核融合装置における輸送現象と揺動計測に関してシミュレーションから得られた主要な成果を示す。
井戸村 泰宏; 渡邉 智彦*; 洲鎌 英雄*
AIP Conference Proceedings 1013, p.270 - 286, 2008/07
核融合プラズマ乱流の標準的な第一原理であるジャイロ運動論モデルは5次元位相空間における粒子分布の取り扱いを必要とするため、第一原理シミュレーションは困難であったが、近年の計算機技術と数値計算法の発展によって装置規模の直接乱流シミュレーションが盛んに行われるようになってきた。講義では5次元ジャイロ運動論シミュレーションの物理モデル及びシミュレーションモデルを概説する。
