構造形成・持続性ユニットの設立報告
構造形成・持続性ユニット
所内メンバー 一同（報告者：山口裕之）

報告内容
•

ユニットの背景と目標•

個別の研究課題の紹介（抜粋）•研究プラットフォーム•

最近の進展（新しい実験計画へ向けた新装置の検討）•

学際的展開の見通しと進捗，ユニットメンバー

ユニット設立報告会
管理福利棟第１会議室，核融合研

ユニットの背景と目標

ユニット設立までの経緯

2021年6月〜
個別テーマ提案

ユニット設立報告会
管理福利棟第１会議室，核融合研• 高エネルギー粒子閉じ込め・放射線科学• フローと構造形成の非線形ダイナミクス• 構造的代謝：自己置換する開放系の学理

2021年12月〜
2022年1月
クラスタ化・統合
2022年4月〜
ユニットテーマ承認「システム」軸上でクラスタ化「３次元構造形成制御」（公聴会時）

構造形成・持続性

Structure formation and sustainability

核融合としての課題：閉じ込め改善と定常維持••

ユニット設立報告会
管理福利棟第１会議室，核融合研

プラズマの閉じ込め改善と定常維持：物理・数値目標の両面で磁場閉じ込め方式の未解決課題– 輸送障壁の形成 (L-H遷移，ITB形成)：装置依存性をもたらす本質的な物理機構は？
– アルファ粒子の輸送や損失：自己点火かpower amplifierか？
– MHD的な安定性，崩壊現象：安定性を決めるものは？ 崩壊における因果は？
– 高効率定常閉じ込めを実現する「最適な」閉じ込め配位や運転シナリオとは？
èプラズマの閉じ込め状態を説明する普遍的な物理機構は明らかでない．
非軸対称（３次元）系含む磁場配位の自由度を活かし，実験・理論シミュレーションの共同により，大局的な観点から物理の解明と配位設計の両方を推進– 普遍的な物理の解明と，核融合プラズマの閉じ込め改善へ向けたシナリオ構築[Yoshida et al., PFR 2006]

QAS[A. S. Ware et al., Fusion Science and Technology, 50:2 (2006) 236-244]

核融合としての課題：閉じ込め改善と定常維持•

ユニット設立報告会
管理福利棟第１会議室，核融合研「磁場によるプラズマの閉じ込め」の物理と最適化を難しくしているものは何か？

– 磁場は荷電粒子のエネルギーに現れない → 背景場中のボルツマン分布すら自明でない– 磁場に垂直な方向のインピーダンスが物質・エネルギー流れ (flux) の中に勾配を形成– 磁場が作る束縛下での散逸過程（エントロピー生成）の多様さ• 様々なスケール（階層）における自己組織化・構造形成 ，階層間の相互作用• 非線形性，非局所性，自律性，分岐現象
構造
安定性，相互作用
インピーダンス
非線形性，非局所性
輸送

駆動源 (flux)
制御，確保

?

加熱, fueling, 粒子制御

背景磁場（対称性・トポロジー，...）?

•

背景磁場の構造は，各階層の構造形成，階層間の相互作用，大域的な勾配にどのように，またどの程度影響するのか？

•

エネルギー源として利用しやすい安定点の探究

核融合としての課題と学術的な意味づけ
核融合としての課題
閉じ込め改善と定常維持（α粒子閉じ込め，MHD平衡，分布形成…）
装置方式固有の物理的知見の積み重ね，およびその統合による予測精度向上

学術的な意味付け
物質・エネルギー・運動量等の流れの中における構造の形成と持続性の物理流れの中に構造＝不均一状態が自発的に作られ，持続する原理
なぜその構造なのか？ (構造の再現性，遷移・分岐)
・システムの対称性，・マクロな保存量，・エントロピー生成率などの観点から，閉じ込め状態を決定する普遍的な原理を探求する．
ユニット設立報告会
管理福利棟第１会議室，核融合研

ITC31の発表資料より
ユニット設立報告会
管理福利棟第１会議室，核融合研

Perspective ii

Academic perspective:

Burning plasma physics issues:”Collection of specific phenomena”“Synthesis of specialized knowledges””Formation and sustainability ofstructure in the middle of flows ofenergy, momentum, and matter”

Optimization
Integrated moddelling

Fusion perspective:•

Alpha-particle heating
Particle orbit, TAE, α-channeling...

••Confinement improvement

Macroscopic open system characterized by...
• Conserved quantities (constraints)

L-H transition, symmetry, heating...

•Long-range collective interactions

Impurity exhaust•

Entropy production & exhaust

Global effect, 3-D effect, profiles...

•

MHD stability
Force balance, flows, two-fluid...

Self-organized state

ITC31の発表資料より
ユニット設立報告会
管理福利棟第１会議室，核融合研

Perspective iii
Open macroscopic & “multi-element” systems
ini5al state“Thermaldeath”

Ordered or“small-entropy”
structures?
New
structure?

?
CollapseAbruptevent

Persists to besustained••••Academic perspective:

Space plasmas
Meteorological system
Ocean circulation
Life form”Formation and sustainability ofstructure in the middle of flows ofenergy, momentum, and matter”

Macroscopic open system characterized by...
• Conserved quantities (constraints)•Long-range collective interactions•

Entropy production & exhaust

Role? interplay?
Governing principle?

Self-organized stateMax. entropy production?

ITC31の発表資料より
ユニット設立報告会
管理福利棟第１会議室，核融合研

Perspective iv
Open macroscopic & “multi-element” systems
initial state“Thermaldeath”

Ordered or“small-entropy”
structures

L-H transition?

Newstructure••••

Academic perspective:

Space plasmas
Meteorological system
Ocean circulation
Life form”Formation and sustainability ofstructure in the middle of flows ofenergy, momentum, and matter”

Loss of?

? Confinement
Collapse
Abruptevent
TAE bursts

Persists to besustainedStably confined

Macroscopic open system characterized by...
• Conserved quantities (constraints)•Long-range collective interactions•

Entropy production & exhaust

Role? interplay?
Governing principle?

Self-organized stateMax. entropy production?

ITC31の発表資料より
ユニット設立報告会
管理福利棟第１会議室，核融合研Perspective v
Open macroscopic & “multi-element” systems
initial state“Thermaldeath”

Ordered or“small-entropy”
structures

L-H transition?

Newstructure?

••••

Space plasmas
Meteorological system
Ocean circulation
Life form

Abruptevent
TAE bursts

Persists to besustained
Stably confined”Formation and sustainability ofstructure in the middle of flows ofenergy, momentum, and matter”

Advantages of fusion

Loss of? Confinement science

Collapse

Academic perspective:

3-D magnetic field・Symmetry, J, ...

Macroscopic open system characterized by...
• Conserved quantities (constraints)

Measurements•Long-range collective interactions•

Entropy production & exhaust

・Real+velocity space・Fluctuations

Theory & simulation
techniques

Role? interplay?
Governing principle?

Self-organized stateMax. entropy production?

Team (NIFS members)
Hiroyuki YAMAGUCHI
Hiromi TAKAHASHI
Kunihiro OGAWA
Akihiro SHIMIZU
Masaki OSAKABE
Mitsutaka ISOBE

6 from experiment, 6 from theory & simulation, 1 from engineering
Experiences & interests
Fast-ion (EP) physics & measurements
Heating & current drive
Potential profile measurement

Yasuko KAWAMOTO

High-performance scenario
Multi-ion-species transport

Shinsuke SATAKEMHD equilibrium & dynamics

Hideo NUGA

Shin NISHIMURA
Katsuji ICHIGUCHI
Atsushi ITO
Takuya GOTO

ITC31の発表資料より
ユニット設立報告会
管理福利棟第１会議室，核融合研

Quasi-axisymmetry physics
Configuration optimization
Integrated simulation
Reactor system design

Advanced diagnostics for waveparticle collective interactions

EPMHD

Profileformation
Covering SF fromdriving source to CFQS
Connecting symmetricglobal profiles& asymmetric systems

個別の研究課題の紹介（抜粋）⾼エネルギー粒⼦物理の研究
Ø 構造形成および⾮平衡状態の上流に位置する⾼エネルギー粒⼦の物理（⾮熱的粒⼦の分布の緩和）
Ø 実・速度空間計測器・シミュレータの開発<-> これまでに構築してきた国内外の共同研究ネット
ワーク（⽶国，欧州，タイ王国，etc.）
Ø ⾼エネルギー粒⼦-MHD-乱流のカップリングの研究.
<-> 国際共同研究やユニット間連携も駆使.
Ø ⾮軸対称〜軸対称径の接続-> 保存量と軌道の対応が⼤きく異なる系における⾼エネルギー粒⼦閉じ込め物理の普遍化

Asymmetry
StrongWeak閉じ込め遷移の起源と制御の研究
閉じ込めブランチとプラズマ構造形成の関係
Ø ⾮軸対称系では複数の閉じ込めブランチおよび遷移の存在が予測されているが，実験的な検証は⾏われていない.
Ø 磁場の対称性に起因する閉じ込め状態の分岐現象を実証する.
-> ⾮軸対称磁場リップルの広範な制御と，正確なフロー制御.
-> 準軸対称配位における能動的フラックス制御.
Ø 装置間⽐較に基づく普遍化.

S.-I. Itoh, K. Itoh, PRL. 60, 2276 (1988).

輸送障壁における輸送のカップリング/デカップリングØ 輸送障壁の形成時において，バルク粒⼦，不純物，フロー分布のカップリング／デカップリングには多様性が存在．
Ø 輸送障壁形成の条件や，その位置の違い，起源を探究し，カップリング/デカップリングの制御⼿法確⽴を⽬指す．
-> 核融合プラズマにおける出⼒制御，ELM制御，不純物排出

e10由来

H1emn由来

H2L

K.C. Shaing, PRL 1996

複数イオン種分布の決定機構と制御
両極性径電場の分岐におけるグローバル効果Ø ⾮軸対称磁場配位において，新古典両極性条件を満た
す径電場Erは局所理論において正負両⽅の根を持ちうる．
Ø グローバルに決まる実際の分布では，これらの根を空間的に連続的に繋ぐような径電場が選択されている．

GC6+

Ø 径電場の決定機構をエントロピー⽣成率等のマクロな視点から再考し，グローバル効果を含む新しい解析⼿法を開発する．
複数粒⼦種輸送の制御
Ø 核融合プラズマにおける選択的な不純物排出を実現するための研究を⾏う．
=>コア領域の粒⼦源，磁場の３次元性，径電場の形成機構に着⽬

Outward
InwardK. Fujita, NF, 2021

レジリエントな動的平衡状態として考えるMHD平衡これまでのMHD平衡の理論

Magnetic field

Ø 摂動に対する静的平衡の応答を調べる.
-> 必ずしも現実のプラズマを反映していない (揺らぎ，加熱，粒⼦供給，散逸の存在).
-> 上記の擾乱は必ずしも崩壊現象の直接の原因ではない．

Heating,fueling
Flow

揺らぎを内包する動的平衡Ø 巨視的フロー、外部加熱、粒⼦補給等の⼊⼒と散逸による出⼒を同時に含む定常状態.
Ø 静的平衡に微⼩揺らぎを印加した後での⾮線形飽和状態として初期状態を構築→擾乱に対するレジリエンスとしての安定性

レジリエンス
Ø ⾮線形応答としての構造の変化 à太陽プラズマ等の他分野へ展開
1. 復原⼒による構造の維持いずれか．
2. ⾃⼰組織化による新たな動的平衡状態への遷移
3. ⼤域的な崩壊現象

Dissipation
Steady state withmacro structure閉じ込め配位設計・最適化研究
Ø 閉じ込めの改善，MHD的安定性，⾼エネルギー粒⼦閉じ込めに加えて，ロバストなダイバータ配位を有する配位の構築
Ø ヘリオトロン装置や先進的ステラレータを包含する「定常核融合炉の解空間」を探索することのできる新しい配位設計・最適化スキームの開発“OPTHECS”, ⾃由曲線コイルの形状・電流値を変量とすることが可能な配位設計コード-> モジュラー・ヘリカルといったコイル形式を問わない包括的な最適化-> ⾃由境界平衡や開いた磁⼒線領域を考慮した最適化
Ø 機械学習や多⽬的最適化の⼿法も取り⼊れ，実験・理論研究の成果を具体的な炉設計へ反映

階層性を持つシステムのエントロピー⽣成と構造形成
Ø 核融合プラズマは無衝突相互作⽤によるエネルギー・運動量の再分配が⽀配→時空の階層化
ある階層のダイナミクスによって系が向かう緩和状態は，別の階層から⾒ると緩和から程遠い不均⼀構造に⾒える→エントロピー⽣成の階層性とシステムの構造形成の関係について，⾼温プラズマ位相空間分布の均⼀化過程を題材に研究し，⼀般化する．
マクロ階層の存在によるエントロピー生成率増大の描像

マクロな階層のエントロピー増大 → ミクロな階層のエントロピーは減少 (不均一化)→ ミクロな階層のエントロピー生成の余地が増大（例：マクロ=乱流ピンチ←→ミクロ=新古典拡散）q2

磁場が位相空間上に作る荷電粒子の運動空間の構造

マクロな保存則が成り立つ相互作用（無衝突：乱流，粒子-波動相互作用）
互いに「不均一化」に見える

位相空間→（実際には６次元）→構造形成

ミクロな保存則のみが成り立つ相互作用（衝突→マクスウェル分布）p

まずは理論とシミュレーション（Fokker-Planck，案内中心）から，階層的なエントロピー生成と構造形成の関係の研究に取り組む．

ユニット設立報告会
管理福利棟第１会議室，核融合研

研究プラットフォーム

研究プラットフォーム（既存）LHD (NIFS, 1998~)
Ø 世界最⼤級のヘリカル装置
Ø 世界最⾼の計測・加熱システム
Ø 磁場配位の柔軟性
Ø 安定した運転・プラズマの再現性
ü 実・速度空間分布の計測
ü 最適化コードを応⽤した配位依存性研究

プラズマシミュレータ「雷神」 (NIFS, 2020~2025)
Ø ベクトル型スーパーコンピュータ（PP ~10.5 PF, メモリ~200 TB）.
ü ⾼エネルギー粒⼦，輸送，平衡のシミュレーション
ü MPMDによる配位最適化計算

ユニット設立報告会
管理福利棟第１会議室，核融合研

研究プラットフォーム：CFQS

ユニット設立報告会
管理福利棟第１会議室，核融合研

主要な装置パラメータ・プラズマ大半径・平均プラズマ小半径
・アスペクト比・磁場強度
・トロイダル周期数・プラズマ放電時間••↑CFQSの3D CAD図↑CFQSのプラズマ形状（色は磁場強度に対応）

1 m0.25m
41 T
2~200 ms

核融合科学研究所と中国西南交通大学間の国際学術交流協定に基いたジョイントプロジェクトとして、装置を製作中。
準軸対称磁場配位によるプラズマ閉じ込め改善の原理実証，プラズマ構造形成と磁場構造の関係の研究等を実施する。

CFQSのコイル製作状況
PFC:OV

ユニット設立報告会
管理福利棟第１会議室，核融合研↓CFQSのコイル系
PFC:IV

TFC10

TFC32

TFC70

MC1-1

MC1-2MC1-3MC2-1MC2-2MC2-3MC1-4MC1MC4MC3MC2

主磁場コイル（常伝導）・モジュラーコイル
16個
磁場制御用コイル（常伝導）・ポロイダル磁場コイル
2対・トロイダル磁場コイル 12個

MC2-4↑完成した８個のモジュラーコイル
全てのモジュラーコイルについて巻き線が既に完了。
現在、対地絶縁処理中（10個について処理を完了）

CFQSの真空容器製作状況

ユニット設立報告会
管理福利棟第１会議室，核融合研↓CFQS真空容器の設計図
端フランジ↑Type-A部．現在２つとも完成し，ベーキングテストを実施中．

ユニット設立報告会
管理福利棟第１会議室，核融合研

最近の進展（新しい実験計画へ向けた新装置の検討）新しい実験計画へ向けた新装置の検討

ユニット設立報告会
管理福利棟第１会議室，核融合研

３次元磁場の自由度を拡張し、他では不可能な、粒子運動のトポロジーと周波数の能動的制御を実現→「装置研究/原理実証」からの脱却
波動，ビーム入射（自由エネルギー源）と連携することで速度空間に起こる現象そのものを操作、観測することを目的とする。
具体的な提案へ向けて、物理設計および工学検討を進めている。
新たに可能となると考えられる位相空間ダイナミクス観測実験の例

⽬指す磁場対称性のダイナミックレンジ

加速された電子(50keV)の軌道（実空間）↖
直線型装置に相当

磁場勾配による捕捉

波動入射による加速

ポロイダル対称配位（⾼ミラー配位）運転~≪1kHz

新しい装置概念

x

磁場の軸対称性※

⾼共鳴する波と非線形に相互作用è速度空間上の歪み、突発現象•

トカマク型装置

低磁力線方向の速度

•

軸対称配位

従来の装置（CHS）↓ 運転

低電子の加速（速度空間）~ 50-100kHz

旋回速度

磁場のポロイダル対称性※※磁場のフーリエ成分⽐により定量化

⾼ x

特徴的な構造が現れる領域を加熱・計測と連携して能動的に制御可能
粒子軌道を決める保存量と集団的な揺らぎに変換されうるエネルギー量との関係を明らかにする．

ユニット設立報告会
管理福利棟第１会議室，核融合研

学際的展開の見通し・進捗とユニットメンバー

学際的な展開の見通し•

エントロピー生成率最大原理など，特定の系によらない具体的な原理を探究しその検証を行うことで，生命科学や地球環境等の他分野との議論が可能となり，また，非平衡開放系一般の構造形成，維持・遷移・崩壊に関する分野を問わない理解を得ることが期待できる．

•

海洋循環や生態系，経済ネットワーク等においても検証・適用が行われてきているエントロピー生成最大原理など，共通の枠組みでの議論の土壌がある程度できている．

•地球温暖化においては，エントロピーバランスの変化が気候状態の急激な遷移を引き起こすことも懸念され，物質・エネルギー循環の大域的な構造が決定される機構の理解は喫緊の課題であり，相当の波及効果が予想される．

•

代謝する生物とその進化の方向，地球の物質・エネルギー循環，社会といった複雑な秩序構造の持続あるいは遷移・崩壊の統一的な理解に寄与できる可能性がある．

ユニット設立報告会
管理福利棟第１会議室，核融合研[A. Kleidon, Phil. Trans. R. Soc.
A (2010) 368, 181–196][気象庁
https://www.data.jma.go.jp/gmd/kai
you/db/mar_env/knowledge/deep/deep.html]

Max. EPPによる理解が試みられている様々な分野への波及を目指す．

学際的な共同研究の展開

ユニット設立報告会
管理福利棟第１会議室，核融合研

諸現象における相転移・エントロピー生成に関するワークショップ• 構造形成・持続性ユニットでは磁場閉じ込めプラズマで観測される様々な自発的構造形成や、構造間の遷移現象について、実験的および理論的アプローチからそのメカニズム解明を研究目標の一つとして掲げており，エントロピー生成率と構造形成や相転移現象の関係性をターゲットの一つとしている。 磁場閉じ込め以外の諸現象においても観測される構造形成や相転移現象に対し適用されている数理モデルや実験・解析手法を、核融合プラズマの研究に応用するために、幅広い分野の研究者を巻き込んだワークショップを開催する．

NIFS，京大，九大，日大のプラズマ物理専門家に加え，プラズマ分野以外から阪大（基礎工学研究科），広島大学（統合生命科学研究科）等から参画．
（土岐コンファレンスのオーガナイズドセッションから生まれた繋がりに基づく）

ユニット研究戦略会議メンバー
所内メンバー
山口裕之
磯部光孝
市口勝治
長壁正樹
小川国大
佐竹真介
高橋裕己
伊藤淳
川本靖子
後藤拓也
清水昭博
西村伸
奴賀秀男

ユニット設立報告会
管理福利棟第１会議室，核融合研

所外メンバー（５０音順）
井戸毅
教授（九州大学）
稲垣滋
教授（京都大学）
篠原孝司
教授（東京大学）
長崎百伸
教授（京都大学）
比村治彦
教授（京都工芸繊維大学）
村上定義
教授（京都大学）森下侑哉
助教（京都大学）＋交渉中数名→計１０名程度を想定