解説

核燃焼プラズマ統合コード構想とその進展
福山淳，矢 木 雅 敏１）（京都大学大学院工学研究科，１）九州大学応用力学研究所）

Burning Plasma Simulation Initiative and Its Recent Progress
FUKUYAMA Atsushi and YAGI Masatoshi１）
Graduate School of Engineering, Kyoto University, Kyoto 606-8501, Japan
1)Research Institute for Applied Mechanics, Kyushu University, Kasuga 816-8580, Japan(Received 10 June 2005)

The purpose and recent progress of the Burning Plasma Simulation Initiative (BPSI) are discussed. Simulationof burning plasmas requires integrated modeling of various physics phenomena with wide-ranging spatial and timescales. The activities of the BPSI are of three types: development of the framework for integrated simulation codes,
development of integrated modeling of multi-scale physics, and implementation of distributed parallel processing.
Similar activities have been reported in the United States and the European Union. Features of the integrated transport code, TASK, being developed as a reference code for BPSI, are also described. Finally, a summary is given andfuture issues are discussed.
Keywords:
tokamak, transport, transport barrier, reversed magnetic shear, steady state operation

１．はじめにら，プラズマ中に生じるさまざまな現象を記述する多数のITER や核融合炉において実現される核燃焼プラズマ

コードを連携させ，プラズマ全体を系統的に記述するためは，非常に自律性の高いプラズマであり，空間的にはプラの手法はまだ確立されていない．

ズマ全体にわたって，時間的には放電時間全体にわたっ

さらに，核燃焼プラズマの定量的予測や制御手法開発て，さまざまな物理過程が密接に結びついている開放系では，ITER における実験計画の検討や運転シナリオの作成

ある．核融合によるエネルギー源を早期に実現する上で，を進める上で戦略的にも非常に重要であり，利用可能な計

このような核燃焼プラズマの振る舞いを定量的に予測し，算機資源の範囲で，できるだけ早期に実現することが望ま

それを制御する手法を開発することは，最重要研究課題のれている．

一つとなっている．そのためには，炉心・周辺・ダイバー

このような核燃焼プラズマ統合シミュレーションの実現

タを含めた装置内のプラズマ全体について，立ち上げ・維に向けて，国内の大学，核融合科学研究所，日本原子力研

持・突発事象・立ち下げを含めた放電時間全体にわたっ究所等の研究協力の形で，核燃焼プラズマ統合コード構想て，自己完結的な時間発展シミュレーションを実現するこの活動が２００２年から進められている．ここでは，その現状とが必要となる．

と今後について解説する．次章では核燃焼プラズマ統合

核燃焼プラズマが関与する現象は，Fig. 1 に示すように，

コード構想の目標と活動について，第３章では欧米での同100 GHz から 1,000 s にわたる広い時間スケールと，10 μm

様の取り組みについて，そして，第４章では本構想のコアから10 mにわたる広い空間スケールに広がっており，単一のシミュレーションコードで記述することは当面不可能である．したがって，物理現象に応じて複数のコードを相互に結合させたシミュレーションが必要となる．これまでの核融合プラズマの大規模シミュレーションは，MHD 不安
定性，乱流輸送現象，波ープラズマ相互作用をはじめとするさまざまな非線形物理現象の解明に大きな成果をあげてきた．その多くは，個々の現象を詳細に解析し，その物理機構を解明しようとするシミュレーションであったが，最近は異なった時空間スケールが関与する多階層プラズマシ

Fig. 1

ミュレーションの研究が進展しつつある［１］．しかしなが

The range of time and spatial scales of the phenomena
in fusion plasmas.

author’s e-mail: fukuyama@nucleng.kyoto-u.ac.jp

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J. Plasma Fusion Res. Vol.81, No.10 (2005)７
４７‐７５４

Journal of Plasma and Fusion Research Vol.81, No.10 October 2005

コードとして開発されている TASK コードについて説明する．そして第５章ではまとめと今後の課題を述べる．

２．日本の統合コード構想とその特徴
２．
１ 背景
核融合反応が持続的に維持されている核燃焼プラズマでは，核融合反応によって生成されたアルファ粒子によるプラズマ加熱が支配的であり，主に外部加熱によって温度分布が制御されている現在のプラズマとは質的に異なる振る舞いを示す可能性がある．また，トカマクプラズマの長時間運転を実現するためには，圧力勾配とポロイダル磁界に敏感な自発電流がプラズマ電流の大部分を占めることが必要となり，その精密な制御が要求される．さらに，高温のプラズマ中心部における核融合反応は，そこでの燃料イオ
ン密度に依存するとともに，生成されたヘリウム灰を通して燃料イオン密度に影響を与える．一方，ダイバータ領域
Fig. 2を含めた周辺プラズマは，閉じ込め領域のコアプラズマにStructure of Integrated Simulation Code.

対して境界条件として大きな影響を与えるとともに，コアプラズマから流入する粒子束および熱流束に強く依存すパーコンピューター用に開発されたコードとの結合も視野る．加えて，プラズマ立ち上げ時には多くの誘導磁束が消に入れている．さらに，トカマクだけでなく，ヘリカル系

費されるとともに，核燃焼プラズマでは電流拡散時間が非プラズマの解析にも利用できるように開発を進めている．

常に長くなるため，立ち上げ時の電流分布は長時間にわ

核燃焼プラズマ統合コード構想の活動は，!統合コード

たってプラズマの振る舞いに影響を与える．

のフレームワーク開発，"統合コードに必要な階層型物理

このように自律性の高い核燃焼プラズマ中のさまざまなモデルの開発，#効率的な分散並列処理の実現，の３つに現象を定量的かつ自己完結的に記述するためには，!理論集約されている．

をベースにした信頼できる物理モデルに基づき，"実験と２．
３ 統合コードのフレームワーク開発の系統的な比較によって検証され，#大規模な直接数値シ

統合コードによるシミュレーションを実現するために

ミュレーションの結果によって裏づけられた，シミュレー

は，多数の解析コードの連携を図るためにコード間のインションモジュールを開発し，$それらを系統的に組み合わターフェース仕様を共通化すること，解析コードおよびそせて，%効率的に計算することができる，統合コードを構

れらに用いられている物理モデルを検証するために実験成することが必要である．

データとの比較や第一原理に基づく大規模シミュレーショ

そのような統合シミュレーションコードの開発を目指しンの結果との比較を行うこと，これらの作業を円滑に進めて，京都大学，九州大学，山口大学等の各大学と核融合科るために輸送解析コードをベースにしたコアコードを開発

学研究所および日本原子力研究所の研究者が協力して，核することが必要と考えている．

燃焼プラズマ統合コード構想（Burning Plasma Simulation-

複数の解析コードをモジュールとして統合シミュレー

Initiative: BPSI）の活動を進めている［２］．２００２年に最初のションに組み入れるためには，モジュール間でやりとりす準備会合を開催し，２００３年からはさまざまな形で研究会をるデータの標準化が必要である．例え ば，輸 送 解 析 モ

開催して研究討論を行うとともに，欧州からの参加者も含ジュールで計算された密度や温度の空間分布を加熱・電流

む日米ワークショップを開催して国際協力を進めている．

駆動解析や安定性解析等のモジュールに用いる場合，各モ

２．
２ 基本的な考え方

ジュール間で直接データをやりとりするように設計する

核燃焼プラズマ全体の時間発展を記述する統合コードにと，モジュールが増えるたびに新たなデータインター

対しては，いろいろな考え方・開発の進め方があり得る．

フェースを作成する必要が生じる．標準的なデータセット

BPSI では，数年で基礎的な統合コードを開発した上で，さ仕様とデータ交換のためのプログラムインターフェース仕らに改善・拡張を進めていく方向で進めている．その理由

様を定めることによって，解析コードのモジュール化が容の一つは，国際トカマク物理活動（ITPA）等において欧米易になるとともに，モジュールの開発や交換の促進が期待に対抗できる解析ツールを早急に開発することが迫られてできる．

いるからである．それとともに，利用者の拡大が必須であ

解析コードを検証するためには，解析解等との比較に加ると考え，新しい理論モデルを容易に検証でき，大規模シ

えて，類似の解析コードとのベンチマークテストが重要でミュレーションの成果を組み込むことができ，実験家が容ある．また，用いられている物理モデルの妥当性を評価す

易に利用できることを目指している（Fig. 2）．また，計算環

るためには，実験データとの比較が必要である．最近，ト

境としては，パソコンでの簡易な計算から，計算機クラス

カマクにおける空間分布等の測定データが，国際トカマク

ターによる並列高速処理を中心に考え，ベクトル型スー

物理活動（ITPA）における「閉じ込めデータベースとモデ
７４８

Commentary

Burning Plasma Simulation Initiative and Its Recent Progress

A. Fukuyama and M. Yagiリング」グループ等によってデータベースに収集され，そパーコンピューターを用いた並列ベクトル処理を必要とすの一部は一般に公開されている［３］．このITPAトカマク分る場合もある．また，独立性の高いモジュールについては，

布データベースを用いると，輸送シミュレーション結果と離れた計算機クラスターをネットワークを介して利用する

実験結果を容易に比較することができ，物理モデルの定量ことが有効な場合もある．そのため，本構想では，新しい的な検証が実現できる．また，トカマク以外の装置での実計算技術を積極的に取り入れて，並列処理による高速化を験データベースへの拡張も比較的容易である．

実現し，計算機クラスター間の連携による計算資源の有効

標準データセット仕様やデータ交換インターフェース仕利用を図ることを予定している．

様の策定とその検証にあたっては，リファレンスとなる解

また，計算結果の可視化についても，並列化や遠隔利用析コード群の存在が重要な役割を果たす．また，分布デーを 目 指 し た VizGrid 等 の 活 動 と 連 携 を 図 る と と も に，

タベースの利用やベンチマークテストのためのデータ作成

OpenGL 等の３次元グラフィック汎用規格を用いた図形ラ等を容易に実現するためには，利用しやすい解析ツールの

イブラリの開発等も進めている．

存在も重要である．そのようなコア解析コード群として，

３．欧米の活動の進展状況

京都大学ではトカマク輸送解析統合コード（TASK）［４］を本構想と同様な活動は，トカマクプラズマの統合シミュ開発してきた．このコードは，平衡，輸送，波動伝播，速度分布等の解析モジュールを含んでおり，それらを連携さレーションの実現を目指して，欧米でも始まっている．

せて，トカマクプラズマの時間発展シミュレーションを行

３．
１ 米国の活動

うことができる．また，統一された利用者インターフェー

米国では，従来から輸送シミュレーションを中心とするスを備えており，実験研究者でも容易に利用できることを

NTCC（National Transport Code Collaboration［５］）活動が目指している．さらにその利用を促進するため，ソース

進められており，トカマク輸送コードのために開発されてコードを公開する Open Source 化に向けて現在整備中であきたさまざまなサブルーチンを検証し，モジュールライブ

る．現在のところ，この TASK コードが統合シミュレー

ラリとして公開してきた．

ションのコアコードとして開発されているが，将来的に一方，２００１年から DOE が推進している SciDAC（Scien-

は，原研で開発されている輸送シミュレーションコード

tific Discovery through Advanced Computing
［６］）
では，核

TOPICS（TokamakPrediction and Interpretation Code Sys-

融合エネルギー科学分野として，磁気リコネクション，計tem）やそのモジュールとの置き換えも可能となることを

算原子科学，波−粒子相互作用，拡張 MHD，微視的プラズ

目指している．

マ乱流の大規模シミュレーションが組織的に進められてい２．
４ 統合コードに必要な階層型物理モデルの開発

る．また，米国内の核融合研究機関の研究連携を図る Na-

核燃焼プラズマでは，時間・空間スケールの異なるさま

tional Fusion Collaboration にも力が入れられている．これ

ざまな現象が相互に強い影響を与えながら，時間発展してらの研究は，DOEの計算科学分野と密接に協力しているこいる．これまでの理論・シミュレーションにおいては，そとが特徴である．

れらの現象の間の相互作用を切り離して，個々の現象を詳

SciDAC における大規模シミュレーションの成果を受け細に解析する場合が多かった．しかしながら，核燃焼プラ

る形で，核融合プラズマの統合シミュレーションと最適化

ズマの時間発展シミュレーションにおいては，時間・空間を目指す FSP（Fusion Simulation Project［７］）が２００２年にスケールの異なる現象の間の相互作用や，異なる空間領域

提案され，２
００５年から活動を始めている．第一の目標はの間の相互作用を，落とすことなく取り入れていく必要が

ITER プラズマを予測し，制御する能力を備えた Fusion-ある．そのため，本構想では，まだ十分解析されていない

Plasma Simulator を１５年で開発することであり，そのためそれらの相互作用を検討し，新しい物理モデルを提案するに組織的な（project的な）コード開発を重視している．２００５ための研究会を開いている．

年には，複数の研究機関にまたがった２つの研究プロジェ

具体的なテーマとしては，!乱流輸送の効果を取り入れ

クト（核融合プラズマにおける周縁領域の統合シミュレー

た MHD 現象の解析，"MHD 事象発生中および発生後の輸ション，電磁波がプラズマの分布と安定性に与える影響の送現象，#磁気島が存在する平衡配位における輸送現象，

統合的理解）が立ち上がろうとしている．

$セパラトリクスをはさんだコアプラズマと周辺プラズマ

米国の活動は，大規模シミュレーションをベースにしの相互作用，%プラズマ中に流れが存在する場合の平衡とて，それらを徐々に統合し，最終的に一つのSimulatorを開輸送現象，&高速イオンに起因する現象とそれらが高速イ発する計画である．核融合以外の大規模シミュレーション

オンに与える影響等があげられている．将来的には，提案

プロジェクトの経験を生かして，プロジェクトとして組織された物理モデルを，すみやかに統合コードに取り込んで的に進められようとしている．また，計算科学との密接ないく必要があり，そのためにもモジュール構造をもつ統合連携も特徴である．しかしながら，時間スケールに差があ

コードの開発が急務である．

るコード間の連携，実験との比較による検証の実現等，課２．
５ 効率的な分散並列処理の実現

題も多いように見える．
３．
２ 欧州の活動

統合コードにおいては，各モジュールが同じ計算機で動くとは限らない．モジュールによっては計算機クラスター

一方，欧州においても，EFDA-JET における Task Forceにおける分散並列処理が有効な場合があり，大規模なスーD（TFD［８］）を中心に統合輸送コードの開発が進められて
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いるが，新たに EFDA 自体の活動として Integrated Tokamak Modelling Task Force（ITM-TF［９］）が２００３年末に発足し，２００４年初めから活動を開始している．その目標は，ITER プラズマの総合的シミュレーションを実現するために，現在のトカマク実験によって検証されたシミュレー
ションツールを首尾一貫した形で開発できるように連携させることである．そのためには，物理現象の統合的理解，
計算コードの統合的開発，理論・実験・モデリングの統合的活動が重要であるとし，それに向けて，コード統合，
データ整備，平衡と安定性の３つのプロジェクトが立ち上がり，さらに物理課題毎の４つのプロジェクトを予定している．
欧州の活動は，大規模シミュレーションがそれほど活発ではないこともあり，当面は，輸送コードをベースとしたFig. 3Structure of BPSI.

統合シミュレーションコードの開発を目指している．欧州
では，ASTRA，CRONOS，JETTO 等，複数の輸送コードが利用されており，それら既存のコードとの整合等，具体を限定することによって，モジュール連携の開発を容易に的なコード統合化の活動はこれから始まるところである．

することができる．

３．
３ 国際協力このようなデータ交換の標準化を検討し，実際に実装しこのように日米欧で動き始めた核融合プラズマ統合シてその妥当性を確かめるためには，参照コードとなるモ

ミュレーション活動は，相互に連絡を取りつつ，協力関係

ジュール群が公開されていることが望ましい．BPSI の参を保っている．２
００３年１２月に京都で開催された「核燃焼プ

照コードとして開発されているのが，TASK（Transport

ラズマの理論モデリングと統合シミュレーション」に関すAnalyzing System for tokamaK）コードである．

る日米 JIFT ワークショップ［１０］
では，FSP に関係する米

このコードは，Fig. 3 に示すように，BPSI のコアコード

国の研究者に加えて，欧州からも２名の研究者が参加しであり，原研，核融合研，大学等で開発された計算コード

た．引き続いて２
００４年９月にプリンストンで開催された日を他のコードと組み合わせる際のインターフェースである

米 JIFT ワークショップ［１１］においても，日本から BPSIと同時に，プラズマの分布やその時間発展を計算し，得ら関係者を中心に８名，欧州からも ITM-TF 関係者を中心にれた分布データを他のコードに供給する役割を果たすこと２名の参加があり，それぞれの活動の進展状況が報告されになる．

ている．さらに，統合コード活動の国際協力を議論する会

４．
１ TASK コードの特色

合が２００４年１１月にポルトガルで開催された核融合エネル

TASK コードは，主としてトカマクの時間発展を解析す

ギー国際会議のサテライト会合として開かれ，多数の関係

るシミュレーション体系として，開発されてきた．その特者が集まった．

徴は，!モジュール構造をもつ統合コードを目指している

本年９月には第３回の日米ワークショップ［１２］が九州大こと，"様々な加熱・電流駆動機構の解析モジュールを含学で開催され，欧州からに加えて，韓国からの参加者も予んでいること，#外部ライブラリに依存せず，高い移植性

定されている．今後も日米ワークショップあるいは国際会を備えていること，$MPI ライブラリを用いた並列分散処

議のサテライト会合等の形で，モジュールインターフェー理が可能であること，%実験分布データベースを利用する

スの標準化等も含めた情報交換を継続する予定であるが，ことが可能であること，&３次元ヘリカル系への拡張が進ITER の建設開始に伴って新しい枠組みの国際協力が立ちめられていること，等があげられる．
また，核燃焼プラズマ統合コード構想（BPSI）のコアコー

上がる可能性もある．

ドとして開発が進められており，!最小限の統合コードを４．統合輸送解析コード：TASK構成するとともに，"すべてのモジュールは交換可能であ多数のモジュールからなる統合コードを実現するためにり，#データ交換およびインターフェースの標準化およびは，モジュール間のデータ交換および実行制御の標準化がその実装の検証が進められており，$利用者の拡大を図る

必要である．例えば，MHD 安定性の解析では，プラズマのため，マニュアル等の整備も進んでいる．

密度，温度，電流，トロイダル回転等の分布データが必要

４．
２ TASK コードの構成であり，それらを輸送モジュールあるいは実験データベー

現在，TASK コードは以下のモジュールから構成されてスモジュールから取得することになる．同じ MHD 安定性いる．

を解析するモジュールであっても，モジュールによって必EQ
TR

要 なデ ー タ の 種 類，位 置，個 数 は 異 な る．そ れ ら を モ
ジュール毎に準備するのではなく，解析しようとする現象の記述に必要なデータセットを標準化し，交換するデータ
７５０

２次元平衡解析
１次元輸送解析

固定境界
拡散型輸送方程式

Commentary

Burning Plasma Simulation Initiative and Its Recent ProgressFig. 4

WR
WM
FP
DP
PL
MTX
LIB

A. Fukuyama and M. Yagi

Old structure of TASK code.

３次元波動解析 幾何光学，光線・ビーム追跡法
３次元波動解析 波動光学，外部励起，固有モード
速度分布解析 相対論的，軌道平均
波動分散解析 局所誘電率，任意速度分布
データ交換 座標変換，分布データベース
行列解法
共通ライブラリ

分短いため，幾何光学近似を用いた波動解析モジュール（WR）が利用できる．このモジュールでは，波束の位置と波数を追いかける従来からの光線追跡法に加えて，波動ビーム径と波面曲率の空間変化をも含めたビーム追跡法によ る 解 析 が 可 能 で あ る．局 所 的 な 誘 電 率 テ ン ソ ル
""
""
&!
#!
&!
##を波動分散モジュール（DP）
で計算し，ビー#!
&!
##と吸収パワー "%&'"%#
ム径路に沿って波動電界 !"さらに，有限要素法を用いた自由境界の平衡解析，流体の空間分布を求めることができる．一方，イオンサイクロ型の輸送方程式を用いた輸送解析，運動論的効果を含めた

トロン周波数帯およびそれ以下の周波数の波動は，波長が巨視的線形安定性解析等のモジュールの開発が進行中であ

装置サイズと同程度であるので，一定周波数の波動電界にる．

対するマクスウェル方程式を境界値問題として解く波動解

これらのモジュールは，Fig. 4に示すように，互いにデー

析 モ ジ ュ ー ル（WM）
が 利 用 で き る．や は り 波 動 分 散 モ
""
&!
%!
$
!
##
ジュール
（DP）
で計算された誘電率テンソル ""タ交換を行って計算できるように構成されている．例え'#ば，平衡モジュール（EQ）は圧力分布 *"，磁力線方向の%!
$!
##と吸収パワー "%&'"%#の空間を用いて，波動電界 !""'#あるいは安全係数分布 +"'#電流密度分布 (，そしてト

分布を求めることができる．

'#等を用いて，Grad-Shafranov
ロイダル回転速度分布 -"#!
&#を計算する．輸送方程式を満たすポロイダル磁束 '"波動分散モジュール（DP）では，平衡モジュール（EQ）###!
&#や磁場強度 !"で計算された磁気面形状 '"，輸送モ#!
&#から計算されモジュール（TR）
は，ポロイダル磁束 '"%#や 温 度 分 布
ジュール（TR）
で計 算 さ れ た 密 度 分 布 )"$"%#等を用いて，任意の位置における誘電率テンソル""##が計算される．冷たいプラズマモデル，運動論モ""&!

%#等の幾何形状因子，波動モジュール（WR，
る %%"
WM）に
%#
よって計算される吸収パワー "%&'"，速度分布モジュー%#等を用いル（FP）によって計算される駆動電流密度 (#$"%#て拡散型輸送方程式を解き，プラズマの密度 )"，温度

デル，ジャイロ運動論モデル等，さまざまなプラズマモデ

$"
%#
%#
，トロイダル回転速度 -#"，磁力線方向の電流密度"(%#等の空間分布の時間発展を計算する．ここで %は規格

く，速度分布解析モジュール（FP）によって求められた運化された小半径であり，トロイダル磁束の平方根によって論効果を取り入れた誘電率テンソルを計算することができ定義される．

る．

ルを利用することができ，マクスウェル速度分布だけでな
動量分布関数を含め，任意の運動量分布関数に対して相対加熱や電流駆動に用いられる波動は，Fig. 1 に示したよ速度分布解析モジュール（FP）は，軌道平均された運動

うに他の現象に比べて周波数が高いので，その伝播や吸収#の時間発展を記述する．波と粒
"
*!!!
%!
,
*$!!
量分布関数 'の解析にあたっては，粒子密度や温度あるいは速度分布関子の共鳴相互作用を表す準線形拡散項は，波動解析モ

数等で表されるプラズマの状態は大きく変化しないと考え

ジュール（WR，WM）によって計算された波動電界の軌道ることができる．電子サイクロトロン波や低域混成波につ平均により計算される．線形衝突項は輸送解析モジュール

いては，その波長が大型トカマクの装置サイズに比べて十によって計算された密度分布や温度分布を用いて計算され
７５１

Journal of Plasma and Fusion Research Vol.81, No.10 October 2005

Fig. 5

New structure of TASK code

るが，運動量やエネルギーが保存する非線形衝突項を用いる場合は，衝突相手の速度分布関数から計算することができる．
輸送解析（TR）
によって求められた密度や温度の空間分
布を用いて局所誘電率が計算され（DP），それを用いた波
動解析（WR，
WM）
によって波動電界の空間分布が計算され，さらにそれを用いて速度分布関数の時間発展が解析され（FP），その結果が輸送解析に用いられるとともに，局所誘電率の計算に用いられる．このようなデータ交換を経て，自己無撞着な時間発展のシミュレーションが実現する．しかしながら，このようなモジュール間のデータ交換
は，モジュールの数が増えるにつれて種類が増加し，個々に対応することは困難になることが予想される．そのため，モジュール間のデータ交換を標準化し，Fig. 5に示すよ
うに，すべてのモジュールは PL モジュールを通してのみ
データ交換を行うように改造中である．これによって，新しい物理モデルの組み込みが容易になることが期待される．
４．
３ TASK コードによる解析例
各モジュールの解析例を Fig. 6 に示す．Fig. 6(a)は平衡モジュール EQ によって計算された ITER の標準的な等磁束面，Fig. 6(b)は JT-60 の配位で電流拡散性バルーニングモー
ド（CDBM）乱流輸送モデル［１３］を用いて輸送モジュール!
"#
TR により計算された密度分布と温度分布を示し，!!!
付近に内部輸送障壁が形成されている．Fig. 6(c)は波動伝
搬モジュール WR による電子サイクロトロン波電流駆動のFig. 6

解析例で，ポロイダル断面に射影した波動軌跡と吸収パ

Example of analyses by the modules EQ, TR, WR andWM.

ワーの径方向分布を示している．Fig. 6(d)は波動伝播 モ
ジュール WM による速波電流駆動の解析例で，波動電界と１０月にはソースコードを［１４］で公開する予定である．それ

吸収パワーのポロイダル分布をそれぞれ示している．

と並行して，すべてのモジュールを連携させたトカマクプ

４．
４ TASK コードの今後の課題

ラズマの時間発展シミュレーションを進めている．

BPSI のコアコードとして開発されている TASK コード

今後，データ交換および実行制御のインターフェース仕は，現在，新しいモジュール構造に改造中であり，２００５年

様を，他の計算コード開発者の考えも取り入れて，新たに
７５２

Commentary

Burning Plasma Simulation Initiative and Its Recent Progress

A. Fukuyama and M. Yagi

６．まとめ

策定し公開していく必要がある．さらに利用を拡大するた
めには TASK コードのマニュアルおよび解説書が不可欠

核燃焼プラズマの予測と制御に向けて，統合シミュレー

であり，作成の準備を進めている．さらに，FORTRAN

ションの重要性が高まってきている．広い空間時間スケー

９５仕様への変更，並列処理の拡大，クラスター間連携，モルにまたがる複合的な物理現象のモデリングは，さまざま

ジュール連携の整備，新しいモジュールの開発を進めていな新しい課題を内包しており，大規模シミュレーションとく予定である．

合わせて，強力に推進する必要がある．核燃焼プラズマ統

もう一つの大きな課題は，３次元ヘリカル配位への拡張

合コード構想（BPSI）は，統合シミュレーションに向けて，である．VMEC コードによって計算された３次元 MHD

物理モデル，ソフトウェア，ハードウェア，それぞれの枠

平衡配位を用いて，WM モジュールによる３次元波動伝播

組みの構築を目指して活動を進めており，一定の成果を上

解析は可能に な って い る．さ ら に 輸 送 解 析 等 の 他のモげてきた．特に全国的な大学，核融合研，原研にわたる研

ジュールについてもヘリカル配位の解析ができるようにモ究協力の組織化が進んでいる．

ジュールの改造ならびに新規開発をする必要がある．この一方，世界的にみれば，米国の核融合シミュレーション

作業は，主に核融合研の LHD 計画共同研究（代表：京大計画（FSP）や欧州の統合輸送モデリング部会（ITM-TF）中村祐司）として進められている．

では，組織的な構想検討やコード開発が開始されつつある．特に米国は ITER の統合シミュレーションを実現して，

５．今後の活動

その運転に大きな影響力をもつことを目指しており，日本

今後の活動の課題としては，標準データおよびインターにおいても独自の統合コード開発を進める必要がある．しフェース策定のための作業会や新しい物理課題抽出のためたがって，国際協力と国際競争の両面からそれらとの連携の作業会を引き続き開催するとともに，国内で利用されてを進める必要があり，ITER 機構におけるシミュレーショ

いるおよび開発中の計算コードの調査が必要と考えていン研究との整合性も考慮しなければならない．

る．そして，中期的にはトカマクやヘリカル系プラズマの統合コードの開発には，新たな物理モデルや計算コード

統合シミュレーションを実現すること，国内の小型トカマの開発に加えて，多くの研究者に利用されることが重要でクにおける解析に利用者を拡げること，新しい物理モデル

ある．実験研究者による実験データの解析，理論研究者にの統合コードへの組み込みを推進すること，そして大規模よる新しい理論モデルの検証，大規模な直接数値シミュ

数値シミュレーションとの連携を図ること等があげられる．

レーションとの連携等に利用され，それらからのフィード

核燃焼プラズマ統合コード構想は，これまで自発的な研バックを取り入れることによって，より使いやすく，新し究活動として，九州大学応用力学研究所共同研究，核融合い可能性を秘めたツールに成長していくと期待される．関科学研究所一般共同研究，日米 JIFT ワークショップ，京都

心のある方には，ぜひ活動への参加をお願いしたい．

大学エネルギー科学研究科２１世紀COEプログラム等，さま
ざまな形で旅費等の支援を受け，国内会合や国際ワーク

参考文献

ショップを開催してきた．平成１６年度からは，科学研究費［１］小特集「異なった時空間スケールが関与する多階層プラ
ズマシミュレーション研究」J. Plasma Fusion Res. 79,
460 (2003).
［２］http://bpsi.nucleng.kyoto-u.ac.jp/bpsi/［３］The ITER 1D Modelling Working Group, Nucl. Fusion
40, 1955 (2000); http://tokamak-profiledb.ukaea.org.uk/［４］A. Fukuyama et al., Proc. of 20th IAEA Fusion Energy Conf.
(2004)IAEA-CSP-25/TH/P2-3;［５］http://w3.pppl.gov/NTCC/［６］http://www.osti.gov/scidac/fes/index.html［７］Fusion Simulation Project, Integrated Simulation & Optimization of Fusion Systems, Final Report of the FESACISOFS Subcommittee, (Nov,2002) http://www.ofes.fusion.doe.gov/News/FSP̲report̲Dec9.pdf; http://w3.
pppl.gov/theory/bin/PSACI-PAC04-Post.pdf［８］http://www.jet.efda.org/pages/focus/009modelling/［９］http://www.efda-taskforce-itm.org/［１０］http://bpsi.nucleng.kyoto-u.ac.jp/bpsi/usjws/［１１］http://w3.pppl.gov/usjapanim/［１２］http://bpsi.nucleng.kyoto-u.ac.jp/bpsi/usjws3/［１３］A. Fukuyama et al., Plasma Phys. Control. Fusion, 37, 611(1995).
［１４］http://bpsi.nucleng.kyoto-u.ac.jp/task/

補助金・基盤研究 B「核燃焼プラズマ統合コードによる構造形成と複合ダイナミクスの解析」（代表者：九大

矢木雅敏）の支援を受け，部分的には科学研究費補助金・特別推
進研究「乱流プラズマの構造形成と選択則の総合的研究（代表者：九大伊藤早苗）の支援も受けている．また，協同研究や NEXT 研究会への参加等を通して，日本原子力研究所と協力している．さらに，計算機クラスターによる並列処理に関しては，核融合科学研究所の LHD 計画協同研究が重要な役割を果たしてきた．
本構想の成果は，学会，国際会議において発表されるようになってきているが，国際トカマク物理活動（ITPA）専門家会合においても積極的に報告する必要がある．核融合
フォーラムプラズマ物理クラスターによる ITPA 国内活動や誘致が検討されている ITER およびブロードバンドアプ
ローチとしてのシミュレーションセンターとの連携をどのように図るかも今後の検討事項である．
これまでは研究会が主要な活動であり，コード開発は自発的に行われているのが現状である．しかしながら，統合
コード開発を組織的かつ継続的に進めるためには，コード開発を支える人的支援が必要であり，人材育成の面からも重要と考えている．
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Journal of Plasma and Fusion Research Vol.81, No.10 October 2005

福

山

淳

京都大学大学院工学研究科教授．１
９７
７年京都大学大学院工学研究科電子工学専攻博士
課程１年中退．工学博士．岡山大学工学部
助手，助教授を経て，１９９
９年より現職．主な研究分野は，核融合プラズマの理論・モデリング・シミュ
レーション，特に波とプラズマの相互作用，輸送現象，プラ
ズマ生成．趣味：計算機は半分趣味，半分仕事．暇があれば，ミステリーを読むこと，写真を撮ること，音楽を聴くこと，
美術館に行くこと，
自転車に乗ること，
歩くこと．

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あつし

や

ぎ

まさ

とし

矢 木 雅 敏九州大学応用力学研究所助教授．１
９９０年京都大学大学院工学研究科原子核工学専攻博士後期課程退学．その後，日本原子力研究所，九州大学応用力学研究所講師を経て現職に至る．主な研究分野：プラズマの異常輸送の研究，小数自由度カオスの研究．最近，プラズマ乱流シミュレーションのための初期値設定に関連して遺伝的アルゴリズムによる解探査に関心をもっている．

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やま!!!!!!!!!!!!!!!!

ふく!!!!!!!!!!!!!!!!!

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