スーパーコンピュータ「京」を活用したこれまでにない精緻なプラズマ乱流のシミュレーションにより、核融合プラズマ中の電子が作る乱流とイオンが作る乱流の間に相互作用が存在することを突き止め、その物理機構を明らかにしました。従来はスケール分離が成り立つと考えられていた両乱流間に、マルチスケール相互作用が存在するという本研究の結果は、プラズマ物理学上の発見であるとともに、核融合炉のプラズマ閉じ込め性能の評価・予測に大きく貢献するものです。
・スーパーコンピュータ「京」による超高解像度プラズマ乱流計算を実現。
・イオンと電子が作るスケールの異なる乱流の新たな相互作用を発見。
・核融合炉実現に向けて重要な乱流現象の解明に貢献。
本研究のキーワードの一つである核融合、とりわけ世界的に研究が進んでいる磁場閉じ込め型核融合炉は、超伝導コイルにより作り出す強力な磁場を利用してプラズマを閉じ込める装置です。1億度を超える高温・高圧のプラズマを閉じ込めることで、粒子同士が高速に衝突し、核融合反応を引き起こします。海水から豊富にとれる水素同位体をプラズマ燃料として用いて核融合エネルギーを取り出すことで、化石燃料にもウランにも頼らない基幹エネルギー源を実現しようという理想の下、世界各国で盛んに研究開発が進められています。
本研究のもう一つのキーワードは乱流です。乱流は、大気、河川、海洋など、あらゆる流れの中に存在しますが、超高温・高圧の核融合プラズマにおいても例外ではありません。乱流は、その複雑な流れに従って様々なものをかき混ぜてしまう性質があります。核融合炉ではプラズマを閉じ込めておきたいので、乱流の有する強い混合作用は、プラズマの閉じ込め性能を劣化させてしまう天敵と言えます。
プラズマ中の乱流については、イオンが作る乱流と電子が作る極微細な乱流という異なるスケールの乱流が存在することが知られています。両者のスケールは数10倍～100倍程度離れているため、これまでは、両者の間に相互作用が存在しないというスケール分離の仮定の下で研究が行われてきました。
前山伸也助教らの研究グループは、乱流中では渦がくっついたりちぎれたりする過程により、大小さまざまな渦が作られるため、イオンが作る乱流と電子が作る乱流の間にはスケールが大きく異なるにも関わらず相互作用が存在しうるという着想の下、イオンが作る乱流と電子が作る極微細な乱流を同時に、統一的に取り扱うマルチスケール乱流の研究に取り組みました。その解析には既存技術では不十分だったため、新しいシミュレーションコードを独自に開発する必要がありました。各研究機関の協力の下、コード基盤の開発（核融合科学研究所）、大規模並列計算技術の開発（日本原子力研究開発機構）、物理モデルの拡張（名古屋大学）を進め、高速かつ高精度なマルチスケール乱流の解析を可能とするシミュレーションコードを開発しました。そして、スーパーコンピュータ「京」をフル活用し、２千億点もの計算格子による高い空間解像度を用いて、これまでにない精緻なプラズマ乱流シミュレーションを行うことで、イオンが作る乱流と電子が作る極微細な乱流との間に相互作用が存在することを実証しました。
特に顕著な成果として、
・イオン→電子の相互作用：イオンが作る乱流渦が極微細な渦を引きちぎることで、電子が作る乱流を抑制する働き
・電子→イオンの相互作用：電子が作る乱流が層流状の流れを乱すことで、イオンが作る層流状の流れを減衰させる働き
というマルチスケール相互作用の物理機構を解明しました。また、これらの相互作用により、プラズマの閉じ込め性能が大きく影響されることを明らかにしました。
プラズマ物理学の観点からは、従来のスケール分離の仮定を覆し、電子が作る乱流とイオンが作る乱流の相互作用の重要性を明らかにした画期的成果と言えます。本研究が先駆けとなり、今後ますますプラズマ乱流のマルチスケール相互作用に関する研究が進展していくと期待されます。
核融合炉開発の観点からは、プラズマ閉じ込め性能の評価・予測がさらに高精度化されたという点で大きな貢献といえます。一方、今後の展望として装置設計や運転条件最適化といったさらに進んだ解析を考えると、どういう場合に電子が作る極微細な乱流が重要になるかという条件を明らかにすること、マルチスケール乱流によるプラズマ閉じ込め性能の劣化を大規模シミュレーションを行わずに見積もるモデルを構築することなどが求められますので、さらなる研究の進展が望まれます。
流体力学の観点からは、電子が作る極微細な乱流がより大きなスケールのイオンが作る乱流に大きな影響を与えるというのは特徴的です。中性流体乱流で一般的に用いられる、渦は大スケールから徐々に微小スケールへと崩れていくというエネルギー・カスケードの考え方が、プラズマ乱流では明らかに破れていると言えます。こうした特異な性質が、まだ知られていない乱流の素過程を明らかにしていく手がかりになるのではないかと考えられます。
本研究は、文部科学省の科学研究費補助金（No.26800283）、および、HPCI戦略プログラム分野4「次世代ものづくり」の支援の下に行われました。計算には理化学研究所計算科学研究機構のスーパーコンピュータ「京」（課題番号:hp120011）と、国際核融合エネルギー研究センターのスーパーコンピュータ「Helios」が使われました。本研究成果の一部ですでに発表されているものは、高性能コンピューティングに関する世界最大の国際学会であるSCで高い評価を得てベストポスター賞を受賞し、核融合分野の中核的国際会議であるIAEA国際核融合エネルギー会議で招待講演に選出されるなど、国際的に注目を受けています。