ユニットテーマの軸「計測・データ」公聴会

オンライン（Zoom）会議
2021年12⽉16⽇
9時30分から

2021/12/16

ユニットテーマ軸「計測・データ」公聴会

今⽇の議題
1. ユニット提案紹介
2. アプローチ例の紹介（各10分）

A) 揺らぎ輸送研究へ向けた⾼度計測(⽥中謙治）
B) 時空間ダイナミクスの解明に向けた⼿法開発（⻄浦）C) データ駆動による予測・判断志向研究を通じたサステナブルプラズマ制御への挑戦（横⼭）D) データ理解への挑戦（表現⼿法）（⼤⾕）

3. ユニットテーマに対する議論

2021/12/16

ユニットテーマ軸「計測・データ」公聴会

1

ユニットテーマの軸「計測・データ」
提案書項目①ユニットテーマ名① ユニットテーマ名
 ⾰新的計測・解析・表現 システム
データサイエンスℚ
計測・シミュレーションの⾼度化

理解と予測可視化・表現⼿法（基提案︓UT-10, UT-11, UT-15, UT-19, UT-25, UT-28, UT-30 ）2021/12/16

ユニットテーマ軸「計測・データ」公聴会

2

何をするユニットか︖
提案書項目③学術的な特徴付け（何の研究だと言えるか） 本ユニットは，計測，データ駆動科学，可視化が⼀体となり，⼿法の⾼度化を⾏う．

2021/12/16

ユニットテーマ軸「計測・データ」公聴会

3

⼿法の進化によって切り開かれる学術新分野
提案書項目③学術的な特徴付け（何の研究だと言えるか）

光学⼿法の技術的⾶躍によって，ガリレオは望遠鏡を⾼性能化し天⽂学を切り開き，レーウェンフックは顕微鏡を作って微⽣物を発⾒した．
物

像

望遠鏡

顕微鏡
像

物

ガリレオ（1564年〜1642年）
課題︓拡⼤率・天体観測⽤凹⾯鏡を組み込んだ，ガリレオ式天体望遠鏡の開発

基本原理
2021/12/16

ユニットテーマ軸「計測・データ」公聴会

技術的⾶躍

レーウェンフック（1632年〜1723年）
課題︓研磨技術では到達できない短焦点レンズの実現
 溶融法による微⼩球レンズの開発で短焦点化

学術新分野の開拓
4

本ユニットで⾏うこと
提案書項目③学術的な特徴付け（何の研究だと言えるか） 計測⼿法・データ解析・可視化⼿法の⼯学・数理要素や物理原理に⽴ち返って，現象観察の⾼時空間分解能化や⾼精度化へと観測可能領域をその数直線上の極限へと拡⼤する．また，現在測定がされていない，もしくは難しい「量」を計量可能とする．
 ガリレオやレーウェンフックの時代と⽐べ，計算機の進展によって，特に近年，得られるデータ量は圧倒的に増加．
 データ科学や可視化⼿法は，科学的知⾒を得るための重要なツール リアルな世界で計測器をディテクタ，プローブとしてノイズの含まれたシグナルを抽出し，また，シミュレーションから多種多様なデータを取得し，それらからパターンを読み出し，⼈間が理解できる形に表現する．計測，データ駆動科学，可視化それぞれの⾰新的⼿法を⽣み出し，また⼀連の過程をシステムとして捉え，⾼度化する．
2021/12/16

ユニットテーマ軸「計測・データ」公聴会

5

核融合としての課題
提案書項目②核融合としての課題

これまでにない⾼空間分解能，⾼時間分解能な計測器を実現し，測定可能領域を拡⼤する．取得されたデータは，従来の物理的視点と相補的に統計数理・データ駆動の考え⽅を採り⼊れた解析⼿法も⽤いて，情報量を最⼤限に抽出する．さらに多種多様な現象やデータを視覚・聴覚・触覚などの情報へ変換して，対話的な⽅法でデータ内部に潜む複雑な構造や相関関係を解明する．
このように⼀連の研究⼿法を⾼度化することで，核融合科学の未解明問題に挑む．
例えば 「プラズマ燃焼に関わる⾃発現象やディスラプションに代表される⾼時空間スケールと速度空間の現象が複雑に絡み合うプラズマのダイナミクスの解明や，その予測・判断志向研究」
 「核融合プラズマの定常安定運転に向けた物質・エネルギー循環系の実現（施設から環境に放出される⽔素同位体挙動解明なども含む）」
 「乱流・輸送現象の理解」
2021/12/16

ユニットテーマ軸「計測・データ」公聴会

6

提案書項目④アプローチ

核融合としての課題に対する代表的なアプローチ

2021/12/16

ユニットテーマ軸「計測・データ」公聴会

7A).揺らぎ輸送研究へ向けた⾼度計測提案書項目④アプローチ

CO2レーザー位相コントラストイメージングを⽤いた乱流揺動計測の計測性能を向上させるとともに，データサイエンスを駆使した乱流解析を⾏う．シミュレーションとの⽐較にも⾼度なデータサイエンスを適⽤し，今まで明らかにならなかった乱流揺動の輸送特性への寄与を明らかにする．LHDおよびJT-60SAを研究対象とする．
2次元揺動データ（たとえばGPIデータ）に潜む法則性を発⾒する．炉⼼プラズマ制御を念頭に置いて，外部制御パラメータに対するプラズマの応答をデータサイエンス的に同定する．トモグラフィー技術をつかって，切り分けの難しい計測結果から，局所量を推定する．

2021/12/16

ユニットテーマ軸「計測・データ」公聴会

8B）データ駆動による予測・判断志向研究を通じたサステナブルプ
ラズマ制御への挑戦
提案書項目④アプローチ

核融合プラズマの諸現象を題材として，プラズマ物理での理解追究と相補的に，「データへの当てはめ」という統計数理・データ駆動（以下，データ駆動）の考え⽅を採り⼊れて，リアルタイムで予測・判断に使うことができるモデリングを⾏う．これにより，核融合炉に求められる定常安定プラズマの実現を⽬指す．

2021/12/16

ユニットテーマ軸「計測・データ」公聴会

9C)時空間ダイナミクスの解明に向けた⼿法開発
提案書項目④アプローチ

電磁波の特性（トポロジカル性等）を利⽤し，燃焼プラズマを⾒通せる加熱・電流駆動とその粒⼦集団応答モデルの検証，輸送物理を明らかにする．速度空間における集団応答を調べるために協同トムソン散乱計測(例えばα粒⼦や⾼速イオン計測)や相関計測とデータ解析⼿法を駆使する．速度空間上の粒⼦ダイナミクスから粒⼦集団応答と粒⼦閉じ込めを理解する．
プラズマの電⼦温度・電⼦密度測定⼿法であるレーザートムソン散乱計測の繰り返し
計測周期を現状の100Hz程度から，1000倍以上の100kHz以上に向上させる．これによりディスラプションに代表される突発的，過渡的なプラズマ現象の理解を⽬指す．

2021/12/16

ユニットテーマ軸「計測・データ」公聴会

10D)データ理解への挑戦
提案書項目④アプローチ

３次元＋αの解析を可能とするVR表⽰やコンピュータ・ビジョンなどの表現法，データ科学を使って多次元時系列データの次元削減等による解析や離散データからの偏微分⽅程式の導出等を研究する．科学知を得るために数値モデル構築や，感覚から，知覚・認知を経て，科学知を得るまでの過程を構造化・定式化して，これまで経験的に⾏われてきた知的探求プロセスを体系化して，⽅法論として確⽴することを⽬指す．

2021/12/16

ユニットテーマ軸「計測・データ」公聴会

11E)同位体環境科学への展開
提案書項目④アプローチ

地球環境に存在するトリチウムや多様な安定・放射性同位体をマルチトレーサーとして利⽤し，環境における局所・広域の物質循環・移動過程を研究する．微量な同位体成分を分析するための分離・回収・濃縮・測定⼿法を駆使し，多点測定・⻑期
観測，モデリングから，地球環境での物質移動現象の理解を⽬指す．

2021/12/16

ユニットテーマ軸「計測・データ」公聴会

12

提案書項目④アプローチ

C）時空間ダイナミクスの解明に向けた⼿法開発「トムソン散乱計測の例」

2021/12/16

ユニットテーマ軸「計測・データ」公聴会

13

トムソン散乱計測の課題
提案書項目④アプローチ

トムソン散乱計測には⾼繰り返し動作のジュール級のパルスレーザーが必要
対象プラズマ電⼦密度︓1012-1014cm-3
トムソン散乱断⾯積︓6.65x10-25cm2

計測がレーザーの性能（出⼒や繰り返し）に制限され，100Hz程度が測定の繰り返しの限界

2021/12/16

ユニットテーマ軸「計測・データ」公聴会

14

パルスバーストレーザーによるトムソン散乱計測の⾼速化
提案書項目④アプローチ
励起直後は温度分布平坦！！
複数レーザーパルス

増幅されたレーザー光
温度
励起光

ロッド内温度の不均一性時間変化

時間

励起

レーザーロッド
レーザー光

励起光

フラッシュランプ励起固体
レーザー増幅器(a)

2021/12/16

励起

ロッド径方向励起（半導体レーザー）
レーザーロッドの半径方向温度分布(b)

励起直後からの時間
ロッド内温度が均一な時間に複数レーザーパルスを増幅(c)

光励起直後に、レーザーロッドの熱拡散時間よりも短い間にレーザー増幅をする。
熱効果フリーで、１ｍｓ以下の複数パルスの出力が可能

バーストモード動作によって，熱による影響を排除して，1kHz以上のレーザー動作が可能，1kHz以上のトムソン散乱計測が可能︕

ユニットテーマ軸「計測・データ」公聴会

15

レーザーシステムとレーザー電源提案書項目④アプローチ

Collaboration with UW-Madison
2021/12/16

ユニットテーマ軸「計測・データ」公聴会

16

1 J ，100 パルス， 繰り返し率20 kHz 動作を実証提案書項目④アプローチ

1 to 100 pulses

2021/12/16

ユニットテーマ軸「計測・データ」公聴会

17

提案書項目④アプローチ

計測例

2021/12/16

ユニットテーマ軸「計測・データ」公聴会

18

プラズマ加熱⽴ち上がり時の電⼦温度分布の時間変化
提案書項目④アプローチ

Electron temperature [keV]

4.544
3.601
2.575

2021/12/16

ユニットテーマ軸「計測・データ」公聴会

Shot number : 166983

19固体⽔素ペレット⼊射時の電⼦温度分布の時間変化
提案書項目④アプローチ

2021/12/16

ユニットテーマ軸「計測・データ」公聴会

20

固体⽔素ペレット⼊射時の電⼦温度分布の時間変化(コンター）
提案書項目④アプローチ
5 ms
t1t2t3
Electron temperature [KeV]

R [m]

4.544

3.601

2.575

Time [s]2021/12/16

ユニットテーマ軸「計測・データ」公聴会

Shot number : 16947421固体⽔素ペレット⼊射時の電⼦密度分布の時間変化
提案書項目④アプローチ
5 ms
t1t2t3

R [m]Electron density [1/m3]

4.544

3.601

2.575

Time [s]2021/12/16

ユニットテーマ軸「計測・データ」公聴会

Shot number : 169474

22

eITBの崩壊前後の電⼦温度分布の変化
The fast Thomson scattering measurement during minor collapse

提案書項目④アプローチ

スライド作成：釼持さん

before collapse
after collapse

High time resolution Thomson scattering
measurement was conducted with 20
kHz sampling during ~ 5 msec.
The detailed profile change during minor
collapse of eITB was revealed.
The center and peripheral Te decreases
and increases rapidly, respectively
2021/12/16

ユニットテーマ軸「計測・データ」公聴会

23

提案書項目④アプローチ

今後の展開 100kHz以上の時間分解能，取得時間フレームの増加 より励起光ーレーザー光変換効率の良い⼿法︓半導体レーザー励起 熱に強い材料開発

時間領域の拡⼤によるディスラプションなどの課題への挑戦

2021/12/16

ユニットテーマ軸「計測・データ」公聴会

24

透明セラミックによる新しいレーザー材料
提案書項目④アプローチ

透明セラミック技術

BeforeAfter sintering(Hot isostatic press)

After
polishing■ First demonstration of Nd:CaF2 ceramic laser (1064 nm)

レーザーに適した光特性
良好な熱特性2021/12/16

ユニットテーマ軸「計測・データ」公聴会

材料研究者との協力による成果
25

⾼速トムソンとデータ科学が共創するとなにができるか．
提案書項目④アプローチ

すでに取り組みが始められているが，機械学習等を利⽤して，他の計測器で突発的な現象が発⽣する予兆をとらえ，突発現象に対してイベントトリガを発⽣させて，この詳細・精密なデータを取得する．
⾼速でプロファイル計測が可能となったことを利⽤して，現在想定されている制御の時間分解能を桁違いに向上させて，プラズマの安定化を図る．
 計測器とデータ科学的⼿法が組み合わさることで，互いの⻑所を引き延ばすことができる．

2021/12/16

ユニットテーマ軸「計測・データ」公聴会

26

学際的展開例
提案書項目⑤学際的展開

地球環境科学への展開
データ駆動科学，表現⼿法
核融合科学発研究成果の社会実装

2021/12/16

ユニットテーマ軸「計測・データ」公聴会

27

核融合関連研究の地球環境・地球科学への展開~⼤気圏-⽔圏-⽣物圏をつなぐ⽔素同位体環境挙動・循環研究~
11年周期の太陽活動など
3H(T), 7Be, etc(宇宙線量の変動)

NIFSにおける環境⽣物研究

宇宙線⽣成核種(宇宙線起源核種)

核融合炉から放出されるトリチウムの環境挙動・⽣物影響の総合的理解

⻑距離輸送
210Pb, etc

HTO ⽔蒸気状??
??

トリチウム環境挙動・⽣物影響研究:
HD16O
HD18O

HTO

フォールアウト

HT(HD)
分⼦状
⼤気圏⼤気・⽔循環

CH3T
炭化⽔素状

原始放射性核種• トリチウムや低線量の⽣物影響研究(⼤学・研究機関と共同研究ネットワークを通じて推進)

HD16O

⽔圏

• 環境中トリチウム挙動研究:

HD18O

HD18O

呼吸

HTO

(地球起源放射性核種)

蒸発降⽔(降下)海洋

210Pb,Rn, etc

蒸発散
⽣物圏
有機結合型 光合成(有機物⽣成)
OBT(OBD)⼈

⼈体への取り込み(⽣物影響)

処理⽔の海洋/河川放出2021/12/16

HTO

降⾬・降雪

H2O

(16, 18O2, 12, 13CO2, 2, 3H2O)

H, D, T

核融合施設
原⼦⼒施設

提案書項目⑤学際的展開

ユニットテーマ軸「計測・データ」公聴会

⾷物・穀物

根幹吸収

HD16O

河川HTO
HDO

地下⽔

 環境⽔中トリチウム挙動循環の理解 植⽣・⽣物中有機結合型トリチウム分析⼿法の確⽴とその挙動研究
 ⼤気中トリチウムの挙動や、分⼦状/炭化⽔素状トリチウム起源の探求NIFSではトリチウムや7Beなどの環境データベースが構築されつつある↓
共同研究ネットワークも活⽤して、安定同位体を含む同位体地球科学研究へ広く展開する
28

期待されるシナジー効果
提案書項目⑤学際的展開

同位体科学[安定・放射性同位体分析]

データ科学[データ同化, 知覚化]

計測・分析技術

隠されている
自然現象の探求、理解と予測
2021/12/16

ユニットテーマ軸「計測・データ」公聴会

29

データ駆動科学の展開
提案書項目⑤学際的展開• プラズマの現象を、「データ」「データ駆動的⼿法」の⾔葉で再定義。
統計数理やデータ駆動分野を通じて、多様な分野との学際研究を展開– 多次元時系列データ、データ同化、特徴抽出、情報量規準、統計的機械学習、転移学習、
⼊⼒-出⼒応答、挙動パターン、、、– 「データ駆動」研究が有する「予測性・外挿性」の問題に、実証を伴いつつ挑戦（ “スケーリング則”は本当に“スケーリング”できるのか︖回帰の外挿（性能向上）︖など。統計的重要変数の選択と物理的解釈性の両⾯から攻めることができる– 精緻な実験と計測，第⼀原理理論シミュレーションという他の複雑系にはない有利な特⻑を、本ユニット軸で最⼤限活⽤し、他の複雑系研究へのインパクトをもたらす

2021/12/16

ユニットテーマ軸「計測・データ」公聴会

30

表現⼿法の展開
天体・宇宙・物性・医療などの可視化

４D2U＠国立天文台• 福島１Fの放射線分布のリアルタイム可視化：
放射線計測データを５Gで計算機サーバへ高速転送。放射線源・放射線分布の計算。分布のレンダリングデータを５Gで高速転送。ARで表示。がれきの除去などに即座に対応した可視化を実現する計画。

社会科学・防災・スポーツ科学の可視化

提案書項目⑤学際的展開• 失われた城郭や街並みの可視化：古文書からの再現（永野康行教授＠兵庫県立大）• 世界遺産寺院の可視化：レーザースキャンデータと深層学習の組み合わせで再現（田中覚教授＠立命館大学）• 建造物の地震時の挙動可視化・被害予測可視化（永野康行教授＠兵庫県立大）アウトリーチ活動への展開• 科学の教育・啓発活動：研究成果を分かりやすく伝える。大型のVR装置は科学になじみの少ない一般市民にも強い印象を与えることができる。実際には体験できない現象や数学の3次元立体図形などを目の当たりに見せる（百見は一体験に如かず）。

情報科学の可視化• スパコンのログデータ可視化：温度変化や計算ジョブ分布の多次元時系列データの次元削減（坂本尚久准教授＠神戸大）。
• SNSデータを用いた流行分析。
2021/12/16

ユニットテーマ軸「計測・データ」公聴会

31

社会実装に向けた取り組み
提案書項目⑤学際的展開

 社会問題解決にむけて

 産業応⽤に向けた取り組み

2021/12/16

ユニットテーマ軸「計測・データ」公聴会

32

福島廃炉への貢献︓中⾚外レーザー分光によるトリチウム⽔連続モニタリング⼿法の開発「英知を結集した原⼦⼒科学技術・⼈材育成推進事業」（2021~）
提案書項目⑤学際的展開

水素同位体の光学的検出手法研究【研究概要】
中赤外レーザーを用いたキャビティリングダウン計測による「濃度60Bq/ccレベル」ト
リチウム水短時間計測の原理実証を成果目的とする．高性能量子カスケードレーザーを用いたキャビティリングダウンシステムを構築し，重水等を用いた光学特性評価を基にトリチウム水計測を試みる．

処理水タンク

希釈化

各種世界初の中⾚外レーザー発振器の実現

HTO濃度100～1600Bq/cc

https://www.meti.go.jp/earthq
uake/nuclear/hairo_osensui/i
mages/osensui_alps_list01.p
ng

2021/12/16

ユニットテーマ軸「計測・データ」公聴会

放出

中赤外レーザートリチウム水計測装置
成果目標：60Bq/cc
処理水タンクでのHTO計測の迅速化
小型化

希釈前のトリチウム濃度導出の迅速化によって，希釈・放出作業の⾼効率化が可能

33

まとめ
 リアルな世界で計測器をプローブとしてノイズの含まれたシグナルを抽出し，また，シミュレーションから多種多様なデータを取得し，それらからパターンを読み出し，⼈間が理解できる形に表現する．計測，データ駆動科学，可視化それぞれの⾰新的⼿法を⽣み出し，また⼀連の過程をシステムとして捉え，⾼度化する．
 これまでにアクセスできなかったパラメータ領域を観測・考察可能とすることで，核融合科学の課題解決を⽬指した現象理解への質的転換を図る．
 ⑥独⾃性，優位性など︓本ユニットの優位性は，すでに核融合コミュニティで実現されている⾼度なプラズマ計測技術，データ解析技術，分離濃縮技術、放射線・放射能測定技術，可視化技術と，それらを統合し，計測器からデータ解析を経て可視化する⼀連の過程をシステムとして捉え⾼度化するというフレームワークにある．
2021/12/16

ユニットテーマ軸「計測・データ」公聴会

34

タングステンFuzzにおける計測の重要性
黒いのは，可視から近赤外域だけでした．
表面にナノ構造がある．
構造色で黒くなっている．

なにか黒い煤が付いているだけだろ．

Shuangyuan FENG，et. al., PFR(2021).

へびには，明るく⾒える．
ボロメーターでも⾒える．
2021/12/16

ユニットテーマ軸「計測・データ」公聴会

35

今⽇の議題
1. ユニット提案紹介
2. 主なアプローチ例の紹介（各10分）

A) 揺らぎ輸送研究へ向けた⾼度計測(⽥中謙治）
B) 時空間ダイナミクスの解明に向けた⼿法開発（⻄浦）C) データ駆動による予測・判断志向研究を通じたサステナブルプラズマ制御への挑戦（横⼭）D) データ理解への挑戦（表現⼿法）（⼤⾕）

3. ユニットテーマに対する議論

2021/12/16

ユニットテーマ軸「計測・データ」公聴会

36

Thank you for your attention !
Ryo Yasuhara
Email: yasuhara@nifs.ac.jp2021/12/16

ユニットテーマ軸「計測・データ」公聴会

37