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論文

国際核融合エネルギー研究センターの高性能計算機システムHeliosを利用した国内シミュレーション研究プロジェクトの進展

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。

論文

Finite-orbit-width effects on energetic-particle-induced geodesic acoustic mode

三木 一弘; 井戸村 泰宏

Plasma and Fusion Research (Internet), 10(Sp.2), p.3403068_1 - 3403068_4, 2015/07

ジャイロ運動論をもとにした固有値解析より高速粒子駆動測地線音響モード(EGAM)の線形特性を調べた。摂動ジャイロ運動論方程式に高速粒子の効果を加えて、EGAMの分散関係を導出した。根の特性はq値によって変化する。有限軌道幅効果を考慮に入れて、EGAMの成長率のビーム強度依存を調べた。解析より、実験装置に典型的なパラメータ領域においては有限軌道幅効果は高々数%と小さいことが分かった。

論文

Dynamics of stimulated L$$rightarrow$$H transitions

三木 一弘; Diamond, P. H.*; Hahn, S.-H.*; Xiao, W. W.*; G$"u$rcan, $"O$. D.*; Tynan, G. R.*

Physics of Plasmas, 20(8), p.082304_1 - 082304_11, 2013/08

 被引用回数:13 パーセンタイル:38.57(Physics, Fluids & Plasmas)

L$$rightarrow$$H遷移が刺激される場合のモデル研究を簡易化メゾスケールモデルを用いて行った。粒子入射を亜臨界加熱状態のプラズマに入射することでL$$rightarrow$$H遷移が誘発された。粒子入射はプラズマ周辺領域の密度・温度勾配を変化させて、径電場を変える。この周辺領域の径電場変化が亜臨界状態でのL$$rightarrow$$H遷移において重要である。弱い加熱状態で、強い粒子入射を行うと、過渡的な輸送障壁の形成が予測された。このとき、過渡的な輸送障壁の持続時間よりも短い周期で粒子入射を連続的に与えると、輸送障壁が維持された。ガスパフによってL$$rightarrow$$H遷移を誘発させる場合と粒子入射の場合と比較すると、L$$rightarrow$$H遷移を起こすのに必要な粒子数はガスパフの場合の方が非常に多い。これは、L$$rightarrow$$H遷移を起こすために、短い時間で強い粒子入射を与えた方が良いことを示している。L$$rightarrow$$H遷移が誘発される場合には、帯状流は遷移のトリガーとしての役割を果たさない。

論文

Spatio-temporal evolution of the L$$rightarrow$$H and H$$rightarrow$$L transitions

三木 一弘; Diamond, P. H.*; Fedorczak, N.*; G$"u$rcan, $"O$. D.*; Malkov, M.*; Lee, C.*; 小菅 祐輔*; Tynan, G. R.*; Xu, G. S.*; Estrada, T.*; et al.

Nuclear Fusion, 53(7), p.073044_1 - 073044_10, 2013/07

 被引用回数:19 パーセンタイル:24.48(Physics, Fluids & Plasmas)

L$$rightarrow$$H, H$$rightarrow$$L遷移の理解はITER運用の成否に重要である。この論文で我々は新たな理論モデル研究を紹介して、遷移の時空間ダイナミクスを調べる。ここで帯状流の役割、そしてダイナミクスと輸送しきい値の間にあるマクロとミクロの接続について強調する。モデルは5場で、簡略化された座標系で、時間と1次元の空間発展を解く。この論文の内容は次の通りである。(a)モデルの基礎方程式とL$$rightarrow$$I$$rightarrow$$H遷移の時空間発展、(b)$$nabla$$Bドリフトの非対称性で輸送しきい値が変化することの物理的な説明、(c)熱雪崩現象がL$$rightarrow$$I$$rightarrow$$H遷移のしきい値変位に与える影響、(d)H$$rightarrow$$L逆遷移のダイナミクスとヒステリシスの物理。

論文

Spatio-temporal evolution of the H$$rightarrow$$L back transition

三木 一弘; Diamond, P. H.*; Schmitz, L.*; McDonald, D. C.*; Estrada, T.*; G$"u$rcan, $"O$. D.*; Tynan, G. R.*

Physics of Plasmas, 20(6), p.062304_1 - 062304_9, 2013/06

 被引用回数:14 パーセンタイル:35.28(Physics, Fluids & Plasmas)

ITERでは、輸送閉じ込め状態が改善するL$$rightarrow$$H遷移が発生する臨界近傍の加熱パラメータを選択する。装置サイズは巨大であるので、装置全体の制御は困難である。したがって、プラズマ閉じ込め状態の改善に関する研究では、H$$rightarrow$$L逆遷移も考慮しなければならない。本研究では簡約化された1次元メゾスケールモデルを用いて、ELMの無い状態でのH $$rightarrow$$L逆遷移のダイナミクスを調べた。モデル計算により、乱流の拡散現象がH$$rightarrow$$L逆遷移を引き起こす重要なプロセスであることが分かった。逆遷移現象には乱流とプロファイルを結ぶフィードバック機構が存在する。加熱を緩やかに減少させた場合、Iフェイズと呼ばれるL$$rightarrow$$H遷移前に見られる乱流揺動の振動現象が発生した。一方、急激な加熱減少の場合の挙動はよりバースト的である。IフェイズはHモードの乱流が残存するペデスタルの上部に現れる。ヌセルト数を用いて、プロファイル勾配に対するヒステリシスを特徴付けた。温度勾配に対する密度勾配の発展を追跡することで、相対ヒステリシスが記述できて、これがペデスタルのプラントル数に依存することがわかった。Hモードの密度勾配はHモードの温度勾配よりもより残存しやすいことが想定される。

論文

Multi-scale transport dynamics dominated by multiple dissipation mechanisms near the critical gradient

岸本 泰明; 三木 一弘*; Li, J. Q.*; 宮戸 直亮; Wang, Z. X.*; Anderson, J.*

Proceedings of 22nd IAEA Fusion Energy Conference (FEC 2008) (CD-ROM), 8 Pages, 2008/10

測地的音響モード(GAM)成長間欠性と呼ばれる、無衝突GAM減衰による新しいクラスの遷移輸送がランダウ流体シミュレーションに基づき発見された。ここでは、この成長する間欠性の基本的性質を理解するために新しいプレデター-プレイモデルを提出する。また、帯状流の衝突減衰を考慮することによりシミュレーションモデルの拡張も行う。2種類の減衰機構の混合により、この間欠性は再帰的に衝突(あるいは輸送)の時間スケールに及ぶ帯状流の複雑なエンベロープ変調を伴いながら現れることがわかった。さらに、1つの散逸機構として働く、臨界勾配近くの帯状圧力の効果も調べた。これら複数の散逸機構は互いに結合し、長い時間スケールにわたってプラズマに複雑な動的輸送を引き起こすことがわかった。

論文

Gyrofluid simulation on the nonlinear excitation and radial structure of geodesic acoustic modes in ITG turbulence

Li, J. Q.*; 岸本 泰明; 宮戸 直亮; 三木 一弘*; Anderson, J.*; Shi, B. R.*

Journal of Physics; Conference Series, 123, p.012027_1 - 012027_11, 2008/08

 被引用回数:1 パーセンタイル:51.61

トカマクプラズマ中の測地的音響モード(GAM)の非線形励起と飽和及びその径方向構造を新規に開発したジャイロ流体モデルを用いて調べる。第一にイオン温度勾配(ITG)揺動とGAMについての従来の3場ジャイロ流体モデル化に対する経験的クロージャー関係を提出する。帯状流の減衰について理論的予測や他の運動論的計算と比較することによって正確に調べられる。それから局所コード及びそのグローバル版がITG乱流によるGAMの非線形励起シミュレーションに用いられる。これによりGAM不安定性が非線形駆動と無衝突減衰との競合の下で非線形的に励起されることが発見される。GAM不安定性に対するポンプ波の振幅の閾値は帯状流不安定性のそれよりも高い。一方、不安定なGAMはおもにランダウ減衰により飽和する。これは静的な帯状流とは異なる。さらにGAMの径方向構造が$$k_rrho_ileq 1.0$$であることが示される。これは純粋な帯状流のそれよりも短い。

論文

Dynamics of turbulent transport dominated by the geodesic acoustic mode near the critical gradient regime

三木 一弘*; 岸本 泰明; Li, J.*; 宮戸 直亮

Physics of Plasmas, 15(5), p.052309_1 - 052309_14, 2008/05

 被引用回数:10 パーセンタイル:56.58(Physics, Fluids & Plasmas)

トカマクプラズマ中のトロイダルイオン温度勾配乱流とそれに関連した臨界勾配近傍での輸送に対する測地的音響モード(GAM)の効果がグローバルランダウ流体シミュレーションと拡張predator-preyモデル解析に基づき調べられる。GAMの放射や伝播を伴った新しいタイプの輸送の間欠的現象(GAM間欠性)が見つかった。このGAMは伝播している間、無衝突減衰を受け非局所的に乱流エネルギーを輸送する。静的帯状流は繰り返される準周期性の間欠的バーストの非減衰残存部分の蓄積によって徐々に強まり、やがて乱流を抑える。これは線形の臨界勾配の非線形な上方シフト、いわゆるDimitsシフトにつながる。この過程は新しいクラスの過渡現象に分類され、成長する間欠性と呼ばれる。GAMの無衝突減衰を含む拡張された最小predator-preyモデルが提案される。これは成長する間欠性の主要な特徴を再現し、シミュレーションで観測されるさまざまな時間スケールを近似的に予測する。

論文

A Model of GAM intermittency near critical gradient in toroidal plasmas

三木 一弘*; 岸本 泰明; 宮戸 直亮; Li, J. Q.*

Journal of Physics; Conference Series, 123, p.012028_1 - 012028_14, 2008/00

 被引用回数:4 パーセンタイル:18.33

トロイダルランダウ流体シミュレーションで観測された測地的音響モード(GAM)に関連した乱流の成長する間欠性を記述する4場最小モデルを構築した。その間欠的ダイナミクスはこのモデルによってシミュレーションに用いられた代表的なパラメータについてよく再現される。このモデルはGAMに関連した乱流輸送のより多くの特徴,乱流の完全な消滅につながる単一のバーストや定常帯状流とGAMと混合した定常乱流なども再現することができる。4次元相空間において固定点まわりの解の軌跡の振舞いを解析することにより、このモデルの幅広い特徴を調べ、別の固有状態に対応するDimitsシフトと定常乱流領域との間の分岐特性を同定する。

論文

Intermittent transport associated with the geodesic acoustic mode near the critical gradient regime

三木 一弘*; 岸本 泰明; 宮戸 直亮; Li, J. Q.*

Physical Review Letters, 99(14), p.145003_1 - 145003_4, 2007/10

 被引用回数:34 パーセンタイル:19.14(Physics, Multidisciplinary)

イオン温度勾配乱流のグローバルランダウ流体シミュレーションと拡張型プレデター-プレイ理論モデルに基づく、トロイダルプラズマの乱流輸送研究により、geodesic acoustic mode(GAM)の励起と伝搬に関連した新しいタイプの間欠的輸送現象が臨界勾配領域近傍で発見された。これをGAM間欠性と呼ぶが、この間欠性はそのトリガー,減衰及び反復のプロセスにおける新しい時間スケールによって特徴付けられる。間欠的バーストの反復の間、静的な帯状流はゆっくりとした時間スケールで増加して、徐々に乱流を抑制する。このような動的な過程を通して臨界勾配の非線形上方シフト、いわゆるDimitsシフトに至ると考えられる。

論文

Turbulent transport associated with GAM dynamics near critical gradient regime; GAM intermittency

岸本 泰明; 三木 一弘*; 宮戸 直亮; Li, J. Q.*; Anderson, J.*

Proceedings of 21st IAEA Fusion Energy Conference (FEC 2006) (CD-ROM), 8 Pages, 2007/03

トロイダルイオン温度勾配駆動乱流のグローバルジャイロ流体シミュレーションを行い、臨界勾配領域近傍での帯状流生成及びgeodesic acoustic mode(GAM)に関連した新しいタイプの輸送の間欠的ダイナミクスを発見した。間欠的なバーストは、乱流エネルギーがある閾値を超えたときに起きる、空間的に伝播するGAMの発生でトリガーされる。静的な帯状流は準周期的な間欠的バーストをいくつも経て徐々に成長し、乱流揺動は徐々に抑えられる。これは線形臨界勾配の非線形的な上方シフト、いわゆるDimitsシフトにつながる。間欠性の周期は温度勾配の増加とともに短くなる。シミュレーションで得られた間欠的ダイナミクスを定性的に記述するモデルも開発し、背景にある物理メカニズムを議論する。

口頭

ITER真空容器の製作性確認試験

小野塚 正紀*; 清水 克祐*; 碓井 志典*; 浦田 一宏*; 並木 勝男*; 辻田 芳宏*; 中平 昌隆; 武田 信和; 角舘 聡; 大森 順次; et al.

no journal, , 

ITER設計活動の一環として、二重壁真空容器向けに実施した次のR&Dについて概要を紹介する。(1)実規模部分モデル(40$$^{circ}$$セクター)製作計画の第1ステップとしてのインボード部直線部及び上肩部の製作性検証。(2)現地接続部モックアップ製作による、溶接、検査のアクセス性、作業性把握。(3)現地溶接施工に要するシールドガス供給方法に関する実機適用性の検証。(4)溶接部への非破壊検査としてUT、ECTによる欠陥検出性。(5)PT溶剤の適用性試験。

口頭

Quality control of Toyo Tanso's nuclear graphite

小西 隆志*; 三木 相煥*; 角田 淳弥; 柴田 大受; 沢 和弘

no journal, , 

高強度を有する微粒等方性の原子炉級黒鉛である東洋炭素製のIG-110黒鉛は、照射や酸化に対して優れた抵抗を有しており、高温工学試験研究炉(HTTR)の燃料体ブロック,制御棒案内ブロック,サポートポスト等の炉内黒鉛構造物に用いられている。講演では、HTTRに初装荷されたIG-110黒鉛の強度は、HTTRの黒鉛構造設計方針で定められている制限に比べて大きく十分な安全裕度を有することなど、原子炉級黒鉛の特性と品質管理の概要について発表する。

口頭

高速増殖実証炉に向けた高温材料技術開発,3; 高速炉用高クロム鋼製SG管板及び2重伝熱管の開発

二神 敏; 永江 勇二; 若井 隆純; 黒目 和也*; 豊吉 晃*; 江沼 康弘*; 小山 庸一*; 梶川 耕司*; 相澤 大器*; 三木 一宏*; et al.

no journal, , 

JSFRのSGは、直管2重伝熱管型を採用し、主要構造の材料は、高い伝熱性能と低熱膨張の観点から改良9Cr-1Mo鋼とした。管板は、過去に製造実績のない大きな寸法となることから、管板用鍛鋼品の製造プロセス最適化が必要となる。伝熱管は、2重バウンダリ化の指向,製作性,水リーク抑制等の観点から密着2重管とし、長尺の小径薄肉管と2重管加工技術の開発が必要となる。高クロム鋼をJSFR実証施設の冷却系構造材料に採用するため、蒸気発生器(SG)の主要構造として、管板及び密着2重伝熱管に関する試作試験等を実施し、設計要求を満足する管板及び密着2重伝熱管の製作性を見通した。

口頭

Physics of stimulated L-H transition

三木 一弘

no journal, , 

核融合発電の実現にはH-modeの物理解明が必要である。H-modeに関してはそれを理解するだけではなく、制御することを議論しなければならない。L-H遷移の制御方法として考えられるのが、粒子入射をプラズマ端にパルスとして与えて、遷移を誘起する方法である。本発表では、LH遷移を再現する1次元のメゾスケールモデルを紹介し、その数値計算で粒子入射によって亜臨界加熱状態のL-modeプラズマでH-modeが誘起できたことを報告する。この粒子入射によるLH遷移を誘発型LH遷移と命名する。さらに低い加熱状態に単発の粒子入射を与えた場合、瞬間的にプラズマ乱流が抑制されるがH-modeは固定されない。しかし、乱流が抑制される時間よりも短い間隔で連続に粒子入射を与えると、乱流抑制は持続されるので、H-modeが継続された。これは超音速分子ビームをプラズマ端へ繰り返し入射すれば、低い加熱状態でもH-modeが持続できることを予測する。解析によって、この誘発型LH遷移において帯状流はLH遷移に対して本質的なトリガーではないことが示された。

口頭

L-H遷移の時空間構造研究の新展開

三木 一弘

no journal, , 

磁場閉じ込めプラズマに外部加熱を行うと、プラズマ端での閉じ込めが改善するLH遷移が起こり、輸送障壁(ペデスタル)が形成される。LH遷移には長い研究の歴史があり、近年では、遷移の過程に現れる準周期的な乱流揺動の振動状態(リミットサイクル振動)についての詳細な実験研究が進展している。本研究では開発された1次元プレデタープレイモデルに基づく1次元輸送モデルをもとにして、LH遷移のトリガーとして帯状流が果たす役割などを報告する。また、粒子入射によってLH遷移が誘起される可能性も指摘し、異なるLH遷移トリガーの存在を明らかにする。本講演では、このLH遷移のモデル研究について、最新の実験研究やこれまでの関連する理論・シミュレーション研究との比較も含めて紹介を行う。

口頭

Physics of stimulated and spontaneous L-H transitions

三木 一弘; Diamond, P. H.*; Hahn, S.-H.*; Xiao, W. W.*; G$"u$rcan, $"O$. D.*; Tynan, G. R.*

no journal, , 

核融合プラズマの実現にはH-modeの物理解明が必要である。H-modeに関しては、理解をするだけではなく制御方法についても議論をしなければならない。L-H遷移の制御方法として考えられるのが、粒子入射をプラズマ端にパルスとして与える方法である。本発表では、LH遷移を再現する1次元のメゾスケールモデルを紹介し、その数値計算で粒子入射によってLH遷移が誘起されたことを報告する。従来の加熱による自発的なL-H遷移では、加熱によって乱流が励起し、帯状流が励起され、乱流が減少し、圧力勾配が上昇して径電場が上昇してH-modeが固定される。しかし、自発的な輸送遷移が起こらないような低い加熱状態でも、粒子入射をプラズマ端に与えると、プラズマ端の径電場が変化してH-modeが固定された。これを解析すると、帯状流は本質的には輸送遷移のトリガーとしての役割を果たさないことが分かった。

口頭

1次元モデルにおけるL-H, H-L遷移の時空間発展

三木 一弘; Diamond, P. H.*; Schmitz, L.*; McDonald, D. C.*; Gurcan, O.*; Tynan, G. R.*

no journal, , 

ITERでは、輸送閉じ込め状態が改善するL-H遷移が発生する臨界近傍の加熱パラメータを選択する。装置サイズは巨大であるので、装置制御は限定的となる。したがって、プラズマ閉じ込め状態の改善に関する研究では、H-L逆遷移も考慮しなければならない。本研究では簡約化された1次元メゾスケールモデルを用いて、ELMのない状態でのH-L逆遷移のダイナミクスを調べた。モデル計算により、乱流の拡散現象がH-L逆遷移を引き起こす重要なプロセスであることが分かった。逆遷移現象には乱流とプロファイルを結ぶフィードバック機構が存在する。加熱を緩やかに減少させた場合、Iフェイズと呼ばれるL-H遷移前に見られる乱流揺動の振動現象が発生した。一方、急激な加熱減少の場合の挙動はよりバースト的である。IフェイズはHモードの乱流が残存するペデスタルの上部に現れる。ヌセルト数を用いて、プロファイル勾配に対するヒステリシスを特徴付けた。温度勾配に対する密度勾配の発展を追跡することで、相対ヒステリシスが記述できて、これがペデスタルのプラントル数に依存することがわかった。Hモードの密度勾配はHモードの温度勾配よりもより残存しやすいことが想定される。

口頭

full-f静電ジャイロ運動論を用いた高速粒子駆動測地音波モード(EGAM)のシミュレーション研究

三木 一弘; 井戸村 泰宏

no journal, , 

高速粒子が駆動するモードの研究は燃焼プラズマにおいて重要である。とりわけ、高速粒子の入射によって帯状流が振動する現象が観測されおり、高速粒子駆動測地音波モード(EGAM)と呼ばれている。EGAMは乱流駆動の振動帯状流(GAM)と異なる周波数が観測されている。EGAMの研究の多くはMHDモデルによって取り扱われているが、近年、静電的ジャイロ運動論モデルによるEGAMと乱流の相互作用に関する研究も報告されている。本研究では静電的Full-fジャイロ運動論コードGT5DによってEGAMと乱流の相互作用の解析を推進しており、最初にEGAMの線形モード特性を調べた。初期分布にビーム成分を加えるとEGAMが現れ、GAMとEGAMが共存することがわかった。EGAMはGAMのおよそ半分の周波数をもち、ビーム成分が10%程度を超える領域で不安定化する。このしきい値は先行研究の理論計算と一致する。

口頭

少数自由度モデルが切り開くプラズマ乱流と遷移の物理

三木 一弘

no journal, , 

本講演は第8回日本物理学会若手奨励賞の受賞講演である。複雑なプラズマの非線形現象を理解するのに、要素還元化された理論モデルの解析が有用である。本講演では少数自由度モデルを用いて核融合プラズマの非線形臨界現象を理解してきた過程を紹介する。最初の例は帯状流と乱流の非線形相互作用の研究である。流体シミュレーションで得られた現象から洞察を得て、プレデタープレイモデルと呼ばれる少数自由度モデルを構築し、動的システム解析から帯状流の固有モードとして静的部分と振動的部分を区別する知見を得た。次にL-H遷移に関する研究を行った。L-H遷移のモデル1プレイー2プレデターモデルを1次元に拡張し、数値計算から局所的なL-H遷移を再現した。この結果は実験結果との比較より、帯状流の遷移トリガーとしての役割を明らかにした。最後に、L-H遷移のモデルを用いて、過渡的な粒子入射からL-H遷移が誘起される新しいタイプのL-H遷移を同定して、その時空間構造を予測した。このとき、遷移のトリガーとなるのはプラズマ端の径電場であり、帯状流はその役割を果たさない。

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