hpprc/llmjp-kaken huggingface dataset:
混相火炎内局所すす濃度、温度、および芳香族類濃度の同時計測およびそのモデリング

(4)環状に分布するすすの生成領域において,その内部には液滴が存在しており,バーナ中心軸付近を降下する噴霧液滴が新たにすす生成領域に落下し,そこで噴霧液滴の温度上昇および蒸発潜熱による吸熱のために熱燃反応強度が低下して,火炎およびすす生成領域が分断される.具体的には、本年度は、工業的に多用されている液体燃料の噴霧燃焼時に生成されるすすの生成・成長・酸化過程を解明することを目的として、Time-Resolved LII(TIRE-LII)により層流対向流場に形成された噴霧火炎中のすすの生成領域およびすす粒子の粒径の定量化を行った。さらに、噴霧火炎中における燃焼反応直前の燃料油滴の空間分布と燃焼反応後のすす生成領域の相関関係を調べるため、噴霧火炎にレーザ干渉画像法(Interferometric Laser Imaging Droplet Sizing : ILIDS)とLIIを同時に適用し、燃料油滴の空間分布および粒径分布とすす生成領域の同時2次元可視化を行った。また、最新の数値解析技術である、ラージ・エディー・シミュレーション(LES)法を実際の混相火炎に適用することにより、"すす"生成モデルの構築およびその精度検証を行うことを目標に、本年度は、予混合噴霧火炎バーを対象としてLESを行った。また、乱流燃焼反応モデルとしてフレームレットモデルを用いた場合との比較を行い、フレームレットモデルを使用した際の問題点を明らかにした。液体燃料の噴霧燃焼は,燃料の微粒化条件に起因する燃料噴霧の平均粒径や粒度分布などの噴霧特性と,流れ場の特性が相互に影響を及ぼしあいながら蒸発・燃焼が進行する反応性二相流であるため,依然不明な点が多い.このような複雑な現象を解明するために,よどみ点付近に噴霧火炎を定在化することが可能な,対向流場を用いた研究が数多く行われてきた.しかしながら,燃料噴霧の粒度分布は,燃料噴射量等の他の噴霧特性と独立して操作することが困難であるため,燃焼特性に与える影響については,その詳細を解明するには至っていない.特に噴霧燃焼場におけるすす生成過程は,物理的過程と化学的過程が影響しあう複雑な現象であるため,燃料噴霧特性が生成過程に与える影響は,十分に解明されたとはいえない.そこで本研究では,燃料供給量を一定に保ち,均一な粒径分布を持つように操作した燃料噴霧を層流対向流場に添加し,噴霧火炎中に生成されるすすを計測することで,液体燃料噴霧の粒度分布が噴霧燃焼に与える影響を解明することを目的とした.液体燃料の噴霧特性は粒度分布制御技術を利用して行い,すす生成特性を各噴霧条件においてTime-Resolvedレーザ誘起赤熱法,およびレーザ画像干渉法(ILIDS)とレーザ誘起赤熱法の同時計測によって評価した.具体的には,複雑かつ微視的なすすの生成・成長過程を解明する目的から,噴霧火炎がよどみ流場に形成され基礎的な燃焼現象の観察が可能な対向流噴霧火炎バーナに,噴霧特性の平均粒径や粒径分布を操作した燃料噴霧を添加し,各条件における噴霧火炎を対象としてTime-Resolved-LII計測,およびLIIとILIDSの同時計測を行い,燃料噴霧の粒度分布が噴霧火炎中におけるすす生成過程に与える影響を観察し,以下の結論を得た.(1)輝炎領域と青炎領域の生成は密接に関係しており,噴霧特性によって大きく影響を受ける.(2)層流対向流場に形成される燃料噴霧特性を任意に操作した噴霧火炎中において,燃料噴霧の液滴平均粒径が大きくなるほど,すす生成領域の発生頻度,すす生成領域の平均面積が大きくなり,すすが形成される位置がガス平面火炎に近くまで下がる.(3)すす粒子の成長は,気流に沿ってバーナ外側に移動していく過程で小粒径のすす粒子が合体・凝集することで,大粒径のすす粒子に成長していく.
子宮頸部上皮の癌化と糖鎖構造の変化に関する研究

手術摘出材料より採取したヒト子宮頸部扁平上皮組織,扁平上皮化生,異形成,上皮内癌,浸潤癌の各種組織について,形態学的に分化を検索すると同時に,各種レクチンを用いた免疫組織化学的手法により,結合糖鎖構造の変化を検討した. DBA, PNA, SBA, MPA, RCA-1, GS-1などガラクトースまたはNPセチルガラクトサミンに結合するレクチンは正常扁平上皮の介化と共に親和性を増し,陽性所見を示した.異形成,癌などにおいてはこれらの性格が失われ,分化異常を反映しているものと考えられた.一部の高分化型扁平上皮癌では,癌巣の中心部において陽性所見が得られこれらの結合糖鎖はケラチン蛋白と密接な関連を有していることが示唆された.また, SKGIII細胞を用いての培養細胞による実験でも,細胞増殖が進みパール様重層化した部分にOBA陽性であった所見も,上記の所見と一致するものであった.NPセチリガラクトサミン結合レクチンは正常の頸管腺上皮には陰性であるが,頸部腺癌では強陽性を示した.すなわち,癌化にともなって表面糖鎖構造の変化が明らかに示された.この陽性所見は,同じ腺癌であっても子宮体部腺癌には認められず,頸部腺癌と体部腺癌の鑑別に応用できることが判明した.このようにレクチン結合性の変化が糖液産生性上皮に顕著に現れることから,卵巣の粘液腺癌に試みたところ,強陽性を示した.卵巣の漿液腺腺癌では陰性であるから,両者の鑑別に極めて有用である.培養細胞による研究においてDBA, PNAは核分裂細胞に強陽性にみられた.細胞増殖回転の途上において是面糖鎖の変化があることが示され,今後の研究を待つこととなった.なお,フコース,マンノース, Nアセチルグルコサミン結合レクチンは,いずれも陰性であった.手術摘出材料より採取したヒト子宮頸部扁平上皮組織,扁平上皮化生,異形成,上皮内癌,浸潤癌の各種組織について,形態学的に分化を検索すると同時に,各種レクチンを用いた免疫組織化学的手法により,結合糖鎖構造の変化を検討した. DBA, PNA, SBA, MPA, RCA-1, GS-1などガラクトースまたはNPセチルガラクトサミンに結合するレクチンは正常扁平上皮の介化と共に親和性を増し,陽性所見を示した.異形成,癌などにおいてはこれらの性格が失われ,分化異常を反映しているものと考えられた.一部の高分化型扁平上皮癌では,癌巣の中心部において陽性所見が得られこれらの結合糖鎖はケラチン蛋白と密接な関連を有していることが示唆された.また, SKGIII細胞を用いての培養細胞による実験でも,細胞増殖が進みパール様重層化した部分にOBA陽性であった所見も,上記の所見と一致するものであった.NPセチリガラクトサミン結合レクチンは正常の頸管腺上皮には陰性であるが,頸部腺癌では強陽性を示した.すなわち,癌化にともなって表面糖鎖構造の変化が明らかに示された.この陽性所見は,同じ腺癌であっても子宮体部腺癌には認められず,頸部腺癌と体部腺癌の鑑別に応用できることが判明した.このようにレクチン結合性の変化が糖液産生性上皮に顕著に現れることから,卵巣の粘液腺癌に試みたところ,強陽性を示した.卵巣の漿液腺腺癌では陰性であるから,両者の鑑別に極めて有用である.培養細胞による研究においてDBA, PNAは核分裂細胞に強陽性にみられた.細胞増殖回転の途上において是面糖鎖の変化があることが示され,今後の研究を待つこととなった.なお,フコース,マンノース, Nアセチルグルコサミン結合レクチンは,いずれも陰性であった.手術摘出材料より採取したヒト子宮頚部扁平上皮組織,扁平上皮化生,異形成,上皮内癌,浸潤癌の各種組織について、形態学的に分化を検索すると同時に、各種レクチンを用いた免疫組織学的手法により、結合糖鎖構造の変化を検討した。DBA,PNA,SBA,MPA,RCA-1,GS-1などのガラクトースまたはN-アセチルガラクトナミンに結合するレクチンは正常扁平上皮の分化と共に親和性を増し、陽性所見を示した。異形成、癌などにおいてはこれらの特性が失われ、分化異常を反映しているものと考えられた。一部の分化型扁平上皮癌では癌巣の中央部において陽性所見が得られこれらの結合糖鎖はケラチン蛋白と密接な関連を有していることが示唆された。これらの所見はPAP法によって得られたが、本年度はより鋭敏度の高いアビジン・ビオチン法を導入し、同様の所見を確認した。さらに、より臨床的な応用を目指して、頚部構造スメア標本に対する応用を検討し、成果を得つつある。N-アセチルガラクトサミン結合レクチンは正常の頚管腺上皮には陰性であるが、頚部腺癌では強陽性を示した。すなわち、癌化にともなって表面糖鋭構造の変化が明らかに示された。この陽性所見は、同じ腺癌であっても子宮体部腺癌には認められず、頚部腺癌と体部腺癌の鑑別に応用できることが判明した。このようにレクチン結合性の変化が粘液産生性上皮に顕著に現れることから、卵巣の粘液性腺癌に試みたところ、強陽性を示した。卵巣の粘液性腺癌では陰性であるところから、両者の鑑別に極めて有用である。なお、フコース結合レクチン,マンノス結合レクチン,N-
血管相互作用を基軸にした三次元コンプレックス組織工学の創生

本研究では血管相互作用に着目して異なる組織が複合化した複雑な三次元組織を生体外の小さな培養デバイス上で構築する手法の構築に取り組む。まず、培養デバイスにおいて血管そのものの構築に取り組み、その高機能化を図る。次に、正常組織(三次元肝組織)との相互作用を解析する。また同時に、腫瘍組織(胆管がん培養組織)との相互作用を解析する。以上の研究を通して複雑な組織を再構築する際の血管相互作用を明らかにすることで、立体臓器の再生技術や新たな癌治療戦略の立案に役立つ基礎的な知見を得る。
自然水域における拡散・分散過程とその模型手法に関する研究

自然水域の種々の幾何学的な形状や力学的要因に基ずく拡散・分散過程に関して、各分担研究課題毎に研究を進めると共に、全体テ-マを設定して研究集会を開催して討議を重ねることにより問題点を整理した。各分担課題毎の成果は以下のようなものであった。1.壁面密度噴流拡散現象に関してkーε乱流モデルを用いて解析し、乱流拡散係数の分布を明らかにした。2,閉鎖性水域としての中禅寺湖、大阪湾について乱流拡散係数を定式化した。3.貯水池の獨度制御に関わる物理模型と数値模型を構築した。4.複断面開水路の浮遊砂流れの拡散分散係数を導き実験的に検証した。5.海域での浮遊物質拡散をラグランジュ的に追路する数値シミュレ-ションプログラムを開発し、流れと拡散の関係を明らかにした。また沿岸海域の拡散現象の二次元、三次元解析プログラムを開発した。6.拡散方程式の移流項の高精度差分について新手法を考案してテストした。また海域の一次元分散係数に関して新しい定式法を考案しその実用性を確かめた。7.河川流の一次元分散係数に関して、ラグランジュ的解析法の適用性を実験デ-タを基に示すと共に、パラメ-タ-の広い範囲でデ-タを収集し、その性状を明らかにした。8.東京湾における現地調査デ-タから、海域における乱流拡散係数を評価すると共に、フロ-ト追跡と固定点における潮流デ-タとの統計的特性の関係を得た。9.潮流の卓越する内湾において、開口部付近の渦の形成と海水交換の関連を水理模型実験により示した。10.潮流の卓越する内湾域における拡散係数のデ-タを集積してその法則性を示すと共に、柱状粗度を用いた水理模型中の拡散係数の制御方法を示した。これらの各種の水域で得られた拡散分散過程の知識と問題点を集積整理して報告書とした。自然水域の種々の幾何学的な形状や力学的要因に基ずく拡散・分散過程に関して、各分担研究課題毎に研究を進めると共に、全体テ-マを設定して研究集会を開催して討議を重ねることにより問題点を整理した各分担課題毎の成果は以下のようなものであった。2.閉鎖性水域としての中禅寺湖、大阪湾について乱流拡散係数を定式化した。3.貯水池の濁度制御に関わる物理模型と数値模型を構築した。4.複断面開水路流れ中の浮遊砂拡散の解析プログラムを開発した。5.海域での浮遊物質拡散をラグランジュ的に追跡する数値シミュレ-ションプログラムを開発した。また海域の一次元分散係数に関して新しい定式法を考案し、博多湾についてその実用性を確かめた。

全体テ-マは拡散分散過程の知識の現状について、水域の種類毎に問題点を分類し整理した自然水域の種々の幾何学的な形状や力学的要因に基ずく拡散・分散過程に関して、各分担研究課題毎に研究を進めると共に、全体テ-マを設定して研究集会を開催して討議を重ねることにより問題点を整理した。各分担課題毎の成果は以下のようなものであった。1.壁面密度噴流拡散現象に関してkーε乱流モデルを用いて解析し、乱流拡散係数の分布を明らかにした。2.閉鎖性水域としての中禅寺湖、大阪湾について乱流拡散係数を定式化した。3.貯水池の濁度制御に関わる物理模型と数値模型を構築した。4.複断面開水路の浮遊砂流れの拡散分散係数を導き実験的に検証した。5.海域での浮遊物質拡散をラグランジュ的に追跡する数値シミュレ-ションプログラムを開発し、流れと拡散の関係を明らかにした。また沿岸海域の拡散現象の二次元、三次元解析プログラムを開発した。6.拡散方程式の移流項の高精度差分について新手法を考案してテストした。また海域の一次元分散係数に関して新しい定式法を考案しその実用性を確かめた。7.河川流の一次元分散係数に関して、ラグランジュ的解析法の適用性を実験デ-タを基に示すと共に、パラメ-タ-の広い範囲でデ-タを収集し、その性状を明らかにした。8.東京湾における現地調査デ-タから、海域における乱流拡散係数を評価すると共に、フロ-ト追跡と固定点における潮流デ-タとの統計的特性の関係を得た。9.潮流の卓越する内湾において、開口部付近の渦の形成と海水交換の関連を水理模型実験により示した。10.潮流の卓越する内湾域における拡散係数のデ-タを集積してその法則性を示すと共に、柱状粗度を用いた水理模型中の拡散係数の制御方法を示した。これら各種の水域で得られた拡散分散過程の知識と問題点を集積整理して報告書とした。
フランス文学における旅の観念と世界像の変容ー関連文献目録(デ-タ・ベ-ス)作成と作品の研究

異国を旅し、異文化と接触した経験を書き留めた記録や、その経験に触発された文学作品の重要性は今なお大きい。しかし時代の相違は作品に、歴史・社会・文化上の差異をもたらし、作者の個性は旅行の仕方と叙述に影響する。従って世界像の変容を知るうえで、旅を扱う膨大な作品群を対象に合理的な分類項目を考案して文献目録を作成することが必要とされよう。だが「旅の文学」のジャンルは、所謂「紀行文学」のみならず、日記、回想録等の歴史的資料あるいは文化人類学的記録をも含みうるし、また17世紀のシラノ・ド・ベルジュラック『月と太陽諸国の滑稽物語』などの科学空想小説も考慮せねばならない。そして旅のテ-マは、中世騎士の「遍歴」、聖職者および平信従の「巡礼」、職人や学生の「修業」など、新たな「叡知」と獲得する人間形成の機会として、詩・物語・伝記の形式で描かれる一方で、フェヌロン:テレマックの冒険:など青少年の啓蒙を目指す創作旅行記にも結実する。恋愛小説でも、別離と再会、運命の出会いがしばしば旅路でなされ、旅は一つの文学的主題を形成している。かくして旅の文学の分類が可能かどうかさえ自問せざるを得ない。博物誌の圏内で企図された19世紀初頭の『旅行全書』では分類が破錠し、ルフェヴュ-ルの最近の入門書でもやや安易なテ-マ分類に留まっている。膨大な資料体を新して観点から整理するのも重要であるが、個々の作品の厳密な校訂。読解という文献学的作業を基礎にしない限り文学研究とは言いがたい。また一時代の世界観の変容は特定作家の作品にも、一時代の資料総体から推論されるもの以上に反映されていよう。かくして総合的視野のもとで個別研究を進め、詩人ネルヴァルの二つの「東方への旅」、ミシヨ-とレリスの非西欧世界への旅および、現代フランスを代表する詩人ボヌフォワの内的な旅を考察し、旅と文学創造の持つ有意義な関連について研究をまとめたのである。本研究は、フランスにおける紀行文学を通観することによって、フランス社会における世界観の形成と変容の過程を解明することを目的としている。本研究参加者は、各自の専門領域に従い、中世、十六世紀から二十世紀・現代文学までの各世紀を分担し、各時代の紀行文学に関連する作品とその研究書等を網羅する文献目録の作成に努めるとともに、代表的事例を選び、研究書の選定・購入の作業をおこなった。中世文学では(月村担当)、「宮廷恋愛物語における旅行記述の役割について」をテ-マとし、十六世紀では(二宮担当)、大航海時代のフランスとアメリカ大陸との関係についての研究、とくにジャン・ド・レソ-のブラジル旅行記を翻訳し刊行した。十七世紀及び十八世紀文学では(塩川担当)、シャルダン「ペルシャ及びインド紀行」、ロベ-ル・シャ-ル「インド旅行日誌」をとりあげた。十九世紀文学(野崎担当)からは、ネルヴァル、二十世紀文学(小倉担当)からはイヴ・ボヌフォワをとくに選び、野崎・小倉の両者は日本仏語仏文学会において研究成果の一端を発表した。在外研究員として渡仏した田村は、フランス国立図書館を中心に紀行文学に関する文献、文献目録、及びデ-タ・ベ-スの調査を行った。

また、旅の観念と世界像の変容を各自代別に個別的に把握するだけではなく、より明確に、通時的に把握する視点を探求するために、菅野を中心に共同討議が重ねられた。他方、当初の予定通りマイクロ・コンピュ-タ-・システムを購入し、デ-タ・ベ-ス作成のための設備を整えることができた。しかし、綜合的な文献目録の作成には今後かなりの人手と時間とが必要になることが予測される。異国を旅し、異文化と接触した経験を書き留めた記録や、その経験に触発された文学作品の重要性は今なお大きい。しかし時代の相違は作品に、歴史・社会・文化上の差異をもたらし、作者の個性は旅行の仕方と叙述に影響する。従って世界像の変容を知るうえで、旅を扱う膨大な作品群を対象に合理的な分類項目を考案して文献目録を作成することが必要とされよう。だが「旅の文学」のジャンルは、所謂「紀行文学」のみならず、日記、回想録等の歴史的資料あるいは文化人類学的記録をも含みうるし、また17世紀のシラノ・ド・ベルジュラック『月と太陽諸国の滑稽物語』などの科学空想小説も考慮せねばならない。そして旅のテ-マは、中世騎士の「遍歴」、聖職者および平信徒の「巡礼」、職人や学生の「修業」など、新たな「叡知」を獲得する人間形成の機会として・詩・物語・伝記の形式で描かれる一方で、フェヌロン『テレマックの冒険』など青少年の啓蒙を目指す創作旅行記にも結実する。恋愛小説でも、別離と再会、運命の出会いがしばしば旅路でなされ、旅は一つの文学的主題を形成している。かくして旅の文学の分類が可能かどうかさえ自問せざるを得ない。博物誌の圏内で企図された19世紀初頭の『旅行全書』では分類が破綻し、ルフェヴュ-ルの最近の入門書でもやや安易なテ-マ分類に留まっている。膨大な資料体を新しい観点から整理するのも重要であるが、個々の作品の厳密な校訂・読解という文献学的作業を基礎にしない限り文学研究とは言いがたい。また一時代の世界観の変容は特定作家の作品にも、一時代の資料総体から推論されるもの以上に反映されていよう。かくして総合的視野のもとで個別研究を進め、詩人ネルヴァルの二つの「東方への旅」、ミショ-とレリスの非西欧世界への旅および現代フランスを代表する詩人ボヌフォワの内的な旅を考察し、旅と文学創造の持つ有意義な関連について研究をまとめたのである。
細菌アルギン酸リアーゼX線結晶構造解析と反応機構

アルギン酸は、マンヌロン酸とグルヌロン酸の2種類の糖から成る高粘性へテロ多糖であり、様々な細菌感染症の原因物質となっている。慢性炎症疾患や異物挿入などに伴う感染では、緑膿菌がアルギン酸を産生し、複雑なバイオフイルムを形成する。いわゆるバイオフィルム感染症であり、難治性である。慢性呼吸器疾患、心内膜炎、骨髄炎、尿路感染症、歯周病、皮膚感染症など医学全般に渡る。白人特有の遺伝病である嚢胞性線維性の致死性も、緑膿菌アルギンによる気道閉塞による。従って、難治性細菌感染症の効果的な治療においては、バイオフイルムを如何に処理するかが重要な問題となる。本研究は、細菌由来のアルギン酸低分子化酵素(アルギン酸リアーゼ)を利用した難治性細菌感染症治療法の開発とアルギン酸リアーゼの高次構造と反応機構の解析を目的として行い、以下の成果を得た。(1)アルギン酸リアーゼのX線結晶構造解析(プリセッション)を行い、結晶学的定数(格子定数、空間群)を決定した。しかし、X線結晶構造解析において最も大きな問題点は、重原子置換が期待通りに行かないことにあった。水銀化合物(pCMB、メチル水銀、塩化水銀)と白金、金化合物について広範に検討したが、良好な置換体の調製は不可能であった。(2)アルギン酸リアーゼの反応機構については、活性中心のアミノ酸及びその近傍の部分的構造を明らかにした。(3)本酵素をポリエチレングリコールで化学修飾することにより、無(低)抗原性酵素を作製し、難治性細菌感染症治療に応用できることを明らかにした。(4)完全無抗原性酵素を調製するため、低分子量酵素断片を得た。(5)本酵素生産菌は、微生物史上で初めて見出された体腔(細胞表層上の穴構造)を有する細菌であることを明らかにした。(5)体腔欠損変異株の機能解析、並びに、体腔の微細(電子顕微鏡)構造と高分子資化の関係を解析し、高分子物質取り込みに関する新たな機構を提出した(平成8年度日本生物工学会論文賞受賞)。細菌由来のアルギン酸リアーゼを細菌感染症の治療薬として利用するために、本酵素の3次元構造決定のためのX線結晶構造解析、並びに、酵素のフラグメント化と活性中心決定のためのタンパク質工学的研究を並行して進めた。3次元構造の解析は現在重原子置換に手間取っており、予備的X線データの段階にあるが、結晶構造に関する基本的データは収集した。なぜ、重原子が結晶に入らないのか不明であるが、最近、水銀に可能性を見出したので、現在一気に進めたい。酵素のフラグメント化は順調に進んでおり、この低分子化酵素をポリエチレングリコールで修飾することによって、無抗原性酵素の調製に成功した。現在、in vivo有効性確認の実験に入っている。また、活性中心に関しては化学修飾及び多のリアーゼ殿ホモロジー検索により、ライシンとヒスチヂンが活性発現に関与したアミノ酸であることまで突き止めた。一方、アルギン酸リアーゼ生産菌であるSphingomonas sp.によるアルギン酸分解の機構に関する検討で、本細胞表面に巨大な穴の存在を見出した。そして、この穴(ビット)がアルギン酸の細胞内部への取り込みに関与していることを示唆する結果を得た。このビット野存在は、微生物では初めての発見であり、高分子物質の膜透過に関して新たな知見を加えた。

また、アルギン酸を生産する病原性菌Pseudomonas aeruginosaのアルギン酸合成制御に関して検討した結果、アルギン酸合成が菌形と関係しているとを突き止めた.即ち、球形菌はアルギン酸を合成せず、桿形菌のみが顕著にアルギン酸を合成した。従って、この病原性菌の形態を球形に維持する薬剤は、細菌感染症の治療薬となり得る可能性があることを示した。アルギン酸は、マンヌロン酸とグルヌロン酸の2種類の糖から成る高粘性ヘテロ多糖である。慢性炎症疾患や異物挿入などに伴う感染では、感染細菌がアルギン酸のようなグリコカリックスを産生し、複雑なバイオフイルムが形成される。我が国にも、バイオフイルムの形成を伴う難治性細菌感染症(バイオフイルム感染症)が多く、慢性呼吸器疾患、心内膜炎、骨髄炎、尿路感染症、歯周病、皮膚感染症など医学全般に渡る。白人特有の遺伝病である嚢胞性腺維症の致死性も、緑膿菌アルギン酸による気道閉塞による、従って、難治性細菌感染症の効果的な治療においては、バイオフイルムを如何に処理するかが重要な問題となる。本研究の究極の目的は、細菌由来のアルギン酸低分子化酵素(アルギン酸リアーゼ)を利用した難治性細菌感染症治療法の開発である。そのため、本研究課題では、アルギン酸リアーゼの高次構造と反応機構の解析を目的とした。アルギン酸リアーゼのX線結晶構造解析(プリセッション)を行い、結晶学的定数(格子定数、空間群)を決定した。アルギン酸リアーゼのX線結晶構造解析において最も大きな問題点は、重原子置換が期待通りに行かないことにある。水銀化合物(pCMB、メチル水銀、塩化水銀)と白金、金化合物について広範に検討したが、良好な置換体の調製は不可能であった。この基本的な問題点がタンパク質の結晶構造に起因するのか、それとも部分的なアミノ酸配列の特殊性によるのかを明らかにするため、今後、低分子量酵素を作出して検討しなければならない。一方、アルギン酸リアーゼの反応機構については、活性中心のアミノ酸及びその近傍の部分的構造を明らかにした。その結果は、平成8年度日本生物工学会大会及び日本農芸化学会大会などで発表した(論文作製中)。また、本酵素生産菌が極めて特殊な細胞表層構造(体腔)を有し、その解析により高分子物質取り込みに関する新たな機構を提出した(平成8年度日本生物工学会論文賞授賞)。
岩礁潮間帯食物網の制御機構に対する生産性と環境ストレスの影響の実験的検証

食物網動態は、その成立する環境の生産性要因と環境ストレスの双方によって制御されていると考えられるが、従来の理論および実証研究では、両要因のどちらかだけが食物網制御機構に及ぼす影響が扱われてきた。そこで、岩礁潮間帯生物群集をモデル系に選び、「生産性要因」と「環境ストレス要因」を同時に実験操作することで、無機環境要因が食物網構造制御機構に及ぼす複合的影響を明らかにした。実験は、」北海道の岩礁潮間帯に成立する海藻(葉状海藻と糸状海藻)-カサガイ(大型植食者)優占群集を対象に、生産性要因(栄養塩レベル)と環境ストレス(乾燥度)を同時に操作することで行った。その結果、乾燥ストレスと栄養塩レベルは、海藻-カサガイ優占群集に対し、相互が独立して影響を及ぼしていたことが判明した。また、両要因は、海藻と小型植食者であるヨコエビを減少させるカサガイの植食の効果には影響をおよぼさなかった。乾燥ストレスは、一部の海藻榛状海藻)を減少させることを通し、間接的に糸状海藻を増加させ、また餌と住み家を減少させることで間接的にヨコエビを減少させた。栄養塩レベルの上昇は、海藻類を増加させ、その結果ヨコエビを増加させていた。これらの結果は、生産性要因(栄養塩レベル)と環境ストレス(乾燥度)の変化は、植食圧(トップダウン効果)に直接的に影響するのではなく、一次生産者(海藻)を変化させることをとおし(ボトムアップ効果)、その影響が食物網動態に影響することを示す。これらのことは、食物網動態の制御機構に関する2大仮説である環境ストレス仮説と消費生態系仮説のうちの後者を強く支持する。北海道の岩礁潮間帯に成立する海藻-カサガイ(植食者)群集を対象に海藻とカサガイの個体群制御機構におよぼす栄養塩(生産性要因)と乾燥度(環境ストレス要因)の影響を明らかにするために,以下の実験を行っている.まず,岩礁潮間帯に裸地を作成し、栄養塩浸出板を8つ隣接させて設置^<2-4)>する。それらのうち4つに寒天+海水+栄養塩(硝酸ナトリウム+リン酸カリウム)を注入し(栄養塩添加区:+N)、残りに海水+寒天を注入した(栄養塩無添加区:-N)。それらの各2つは銅塗料により、カサガイ侵入を止め(カサガイ除去区:-G)、残りは未操作とした(カサガイ未除去区:+G)。これら+G+N、+G-N、-G+N、-G-Nの各実験区2組のうち、一方には、乾燥ストレス緩和用の灌漑装置を設置し(乾燥ストレス緩和区:+I)、もう一方は未操作とした(乾燥ストレス区:-I)。つまり、1箇所に+G+N+I、+G-N+I、-G+N+I、-G-N+I、+G+N-I、+G-N-I、-G+N-I、-G-N-Iの8実験区が一組になるようにし、これを10組、海岸にランダムにセットし(3way randomaized block design)。2001年10月に栄養塩浸出板を設置・取り替えを行い、季節的に実験を繰り返している。栄養塩浸出板の海藻被度、カサガイの個体数とサイズ、エアーストン内栄養塩濃度、海水栄養塩濃度、エアーストン表面温度、海藻の現場での光合成活性を月2回測定した.今後,2002年2月と6月に同様の実験を行い,得られたデータをあわせて解析を行う予定である.無機環境による食物網制御機構については「生産性要因」と「環境ストレス要因」に注目した2つの仮説が有名である。

陸域や淡水域の生態系では「食物網構造と消費の強度(トップダウン効果)は、一次生産力の制限(ボトムアップ効果)が順次上位の栄養段階に波及することにより決定されている」という仮説(消費生態系仮説)が支持されてきた。一方、岩礁潮間帯では「食物網構造と消費の強度(トップダウン効果)は、環境ストレスが消費の強度を決定することで決定されている」という仮説(環境ストレス仮説)が支持されてきた。本研究の目的は,両仮説の検証と統合をめざすことにある.そこで,北海道の岩礁潮間帯に成立する海藻-植食者群集を対象に海藻と植食者の個体群制御機構におよぼす栄養塩(生産性要因)と乾燥度(環境ストレス要因)の影響を明らかにするための野外操作実験を行った。その結果、栄養塩レベルと乾燥度は,この群集に対し,直接効果を通してそれぞれ独立して影響を及ぼしていることが判明した.すなわち,乾燥ストレスは葉状海藻を直接的に減少させ、その結果,競争的劣位種群である糸状海藻を増加させ,餌と住み場所の減少を通しメソグレーザーであるヨコエビを減少させた.栄養塩レベルの上昇は,糸状海藻と葉状海藻を増加させ,その結果,ヨコエビを増加させた.これらの結果は、岩礁潮間帯食物網の制御において,生産性要因(栄養塩)と環境ストレス要因(乾燥度)の影響は,ボトムアップ効果を通じて生じることを示している.この事実は、食物網構造制御に関する従来の2大仮説である環境ストレス仮説と消費生態系仮説のうち,後者を指示する.
発作性夜間ヘモグロビン尿症の関連の特発性造血障害の分子病態の解明

造血障害は特に日本人発作性夜間ヘモグロビン尿症(PNH)患者の主死因であるが詳細な発生機序はこれまでのところ不明である。我々はPNH患者に発生する難治性造血障害が、自己免疫が関与する再生不良性貧血のそれと極めて似ていることを1995年に報告し、両疾患に共有の造血障害を誘発する免疫機序を追究している。そして、NKG2D陽性リンパ球を活性化するULBPやMICA/BなどのNKG2Dリガンドが少なくとも一部のPNH患者の造血細胞膜上に病的発現し、NKG2D陽性の自己リンパ球による造血細胞傷害を誘発することを見出し、現在までその検証のため臨床経過の前向き解析を進めている。PNH患者におけるNKG2Dリガンドの血球膜発現を経時的(最長例で8年間余)にフローサイトメトリーにて解析し、血球減少(造血障害の指標)や免疫抑制療法効果との関係を調べた。その結果、随時採血でPNH患者の約6割にいずれかのNKG2Dリガンドが血球膜発現しており、陰性例でも経過観察すると血球減少の出現に一致していずれかのNKG2Dリガンドが現れていた。またNKG2Dリガンド発現と汎血球減少と免疫抑制療法効果は密接に連動していた。NKG2Dリガンド発現を誘発する何らかのストレスの存在が示唆された。PNH患者ではNKG2D免疫が造血障害の発生に関与していると思われる。今後、NKG2D免疫による血球傷害機序を調べ、新しい分子標的療法の開発へつなげたい。日本の発作性夜間ヘモグロビン尿症(PNH)患者の主死因をなす造血障害の発生機序に関して、再生不良性貧血(AA)と同様に免疫機序が示唆されているが詳細は不明である。我々はストレス誘導蛋白であるNKG2Dリガンド(ULBP,MICA/B)のPNH患者血球における病的発現と、この血球を標的とする自己リンパ球による免疫反応を見出し、造血障害の発生機序との関係を調べている。方法として、PNH、PNH関連の造血障害疾患であるAAと骨髄異形成症候群(MDS)の患者の血球膜におけるNKG2Dリガンド発現を調べた。また、その発現に付随する血球傷害や造血コロニー形成障害の有無を生体外で調べた。その結果、NKG2Dリガンドの病的発現はどの疾患でも観察された。また造血障害は抗NKG2D抗体の存在下で改善した。患者の臨床経過の解析は、血球のNKG2Dリガンド発現と造血障害進展と免疫抑制療法効果に正の相関を示した。NKG2Dリガンドは本来、細胞が癌化や病原体感染に曝された時に細胞膜に現れるストレス蛋白の一種であり、患者血球が何らかのストレス(病因)に暴露されていることを示唆する。PNH等の造血障害では血球のNKG2Dリガンド発現と、これを狙うNKG2D免疫が造血障害の発生に深く関与している可能性がある。もう少し多くの造血障害症例において、これらの免疫現象を確認できれば、近い将来、日本人に比較的多い難病の特発性造血障害に対する新しい治療法としての分子標的療法の開発が期待できる。
金属及び金属酸化物固体触媒とクラスターの表面反応と触媒作用に関する理論的研究

本研究の目的は、金属及び金属酸化物からなる固体触媒、および金属クラスターの表面反応や金属錯体の触媒作用を理論的に研究し、それらの電子的過程を解析することによって、固体表面の触媒活性と反応選択性を明らかにすることである。この目的に沿って以下の研究を行った。まず、表面一分子系を扱う理論の開発を行った。従来のクラスターモデルでは固体-吸着分子間の電子移動を十分に記述できなかった。我々は、バルク固体の中に分子を吸着したクラスターを埋め込み、バルク固体の働きをその自由電子の流入・流出で代表させるモデルーDipped Adcluster Model(DAM)ーを考案し、この方法が固体金属触媒を良く表現することを示した。また、固体金属表面では鏡映力(image force)という正電的相互作用が重要あることを示した。上記の方法を用い、銀表面における酸素分子の解離吸着の電子的メカニズムを明らかにした。この反応はエチレンの部分酸化の初期過程として重要である。我々は、この反応を理論的に記述することに初めて成功した。銀表面で酸素分子は、superoxide(O2^-)とperoxide(O2^<2->)の状態でも存在し、後者が解離状態に至ることを明らかにした。さらにハロゲン分子が化学発光を伴ってアルカリ金属表面に吸着する現象を解明した。我々の方法のは、電子のHapooningと発光に電子的過程を再現した。また、酸化亜鉛表面やリチウム金属表面での水素分子の解離吸着過程について研究した。酸化ジルコニウム表面で、水素分子が分子状と解離状に吸着することを示した。この結果は実験的示唆と良く一致している。さらに、過マンガン酸イオンの基底状態および励起状態を詳細に解析し、この分子が光解離反応によって酸素を発生するメカニズムを理論的に明らかにした。Os-WやOs-Crといった複核金属錯体が金属ー金属間配位結合を持つことを理論的に示し、その構造や反応性を解析した。1.リチウム金属表面への水素分子の化学吸着:クラスタ-による表面モデルには固体の効果が十分に含まれておらず、触媒作用や化学吸着が表現できない場合がある。この問題を改善するため、GrimleyとPisaniはembedded cluster model(ECM)を考案しており、近年我々はdipped adcluster modelを考案した。本研究では、前者のECM法に改良を加え、新しくabーinitioプログラムを開発し、Li表面への水素分子の化学吸着に応用した。Li_4がLi_6及びLi_<10>に埋め込まれてたモデルを用い、反応経路に沿ったポテンシャル曲線を計算した。ECMは比較的良くfullーcluster modelの結果を再現した。解離吸着水素の安定構造はonーtopサイトとなったが、吸着に伴う安定化は得られなかった。ECMは比較的大きな金属クラスタ-を使うことが前提とされ、abーinitio法を使う限り実用性には問題があると思われる。2.過マンガン酸イオンの光分解反応の電子メカニズム:過マンガン酸イオンは強い酸化剤として広く用いられており、その基底・励起状態の電子構造に興味が持たれてきた。また、その可視紫外光吸収スペクトルについても、かなりの実験デ-タが蓄積されている。まず、過マンガン酸イオンの吸収スペクルを、SAC/SACーCI法を用いて計算し、これまでの理論研究では再現性が悪かった励起エネルギ-・振動子強度を精度良く再現した。過マンガン酸イオンが酸素分子を放出する光分解反応のポテンシャル曲線を計算し、Leeらの提案した反応スキ-ムと長寿命中間体の存在を支持した。

この長寿命中間体は、光励起した過マンガン酸イオンが緩和する際に構造変化したperoxo型の錯体である。さらに、実験的に観測される波長依存性の起源は、このperoxo錯体へ移行する際のポテンシャル障壁であると考えられる。本研究の目的は、金属及び金属酸化物からなる固体触媒、および金属クラスターの表面反応や金属錯体の触媒作用を理論的に研究し、それらの電子的過程を解析することによって、固体表面の触媒活性と反応選択性を明らかにすることである。この目的に沿って以下の研究を行った。まず、表面-分子系を扱う理論の開発を行った。従来のクラスターモデルでは固体-吸着分子間の電子移動を十分に記述できなかった。我々は、バルク固体の中に分子を吸着したクラスターを埋め込み、バルク固体の働きをその自由電子の流入・流出で代表させるモデル--Dipped Adcluster Model(DAM)--を考案し、この方法が固体金属触媒を良く表現することを示した。また、固体金属表面では鏡映力(image force)という正電的相互作用が重要あることを示した。上記の方法を用い、銀表面における酸素分子の解離吸着の電子的メカニズムを明らかにした。この反応はエチレンの部分酸化の初期過程として重要である。我々は、この反応を理論的に記述することに初めて成功した。銀表面で酸素分子は、superoxide(0_2^-)とperoxide(0_2^<2->)の状態でも存在し、後者が解離状態に至ることを明らかにした。さらにハロゲン分子が化学発光を伴ってアルカリ金属表面に吸着する現象を解明した。我々の方法は、電子のHapooningと発光の電子的過程を再現した。また、酸化亜鉛表面やリチウム金属表面での水素分子の解離吸着過程について研究した。酸化ジルコニウム表面で、水素分子が分子状と解離状に吸着することを示した。この結果は実験的示唆と良く一致している。さらに、過マンガン酸イオンの基底状態および励起状態を詳細に解析し、この分子が光解離反応によって酸素を発生するメカニズムを理論的に明らかにした。Os-WやOs-Crといった複核金属錯体が金属-金属間配位結合を持つことを理論的に示し、その構造や反応性を解析した。
新しいナノスケール電子科学の創出と次世代デバイスの設計指針の獲得

半導体デバイスの極微細化の結果、MOSFETsのチャネル長は10nmのオーダーに達しようとしている。このような系では、ナノスケールの伝導体中の電気伝導が現実のデバイス特性を支配するようになる。ナノスケール伝導体を挟むソース電極(電荷の出発点)とドレイン電極(電荷の終着点)の間に通常の電圧(1V程度)を印加すると、伝導体は高電界下に置かれ、ドレイン電極が最早熱平衡状態にはならない。我々はこれまで全く研究の行われてこなかった高電界下のナノスケール伝導体中の電子ダイナミクスに関する研究を行った。本研究において、ナノスケール伝導体中の電子は「波でもなく粒子でもない状態」、電子波束として伝導に寄与すると考え、粒子性と波動性のクロスオーバーする領域での電子ダイナミクスを検討することを狙った。電子波束は、原理的にエネルギーの高い固有状態も含んでおり、その影響は多体効果において特に顕著に表れる。すなわち、多体の電子相関効果を取り込んだ電子波束ダイナミクスを考えることが非常に重要である。本研究ではナノスケール伝導体中での電子輸送に関する基礎的な知見を得ることを目指して、長距離電子間相互作用を取り込んだ多電子波束ダイナミクスに関する理論的研究を行った。計算の結果、電子間相互作用によって電子波束の時間発展が抑制されるという結果を得た。結果は、ナノスケール伝導体中において電子が粒子性を示すことを示唆する結果である。言い換えると、電子間相互作用が電子波束の寿命を伸長する様な影響を与えることが分かった。また、電界を加えたシステムにおいても、電子波束がこのような振舞を示すという結果も得られた。したがって、本研究の結果から将来のナノデバイスにおいては電子間相互作用がデバイス特性に非常に重要な影響を与える要素であると考えられる。そのためこのような結果とその発展は、将来のナノデバイス設計に有力な指針を与えることができると考えられる。本研究はナノスケールの電子に関する新たな概念を創出し、次世代デバイスの開発に世界的な方向付けを行うことを目指している。そのため、21年度は次のような研究を行った。(1)時間依存シュレディンガー方程式による時間発展解析法の習得ナノドット系への電子注入現象を理解するためには、波動関数の経時変化を詳細に追うことが重要である。このため、時間依存シュレディンガー方程式を数値的に解くことによる電子波動関数の時間発展解析手法の習熟に努めた。本目標の達成のため東北大学の村口正和博士との打ち合わせの機会を持ち、得られた結果についての議論を行った。(2)ナノスケールオーミック接触の設計指針の獲得将来導入が検討されている金属ソース/ドレインなどの技術の達成のためには、界面状態の制御が非常に重要である。このような観点から、ナノスケールのオーミック接触の設計指針獲得に向けた研究に着手した。オーミック接触とは、接触抵抗がバルクの抵抗と比較して無視できるほど小さい金属-半導体接触である。本研究では、第一に従来知られていたオーミック接触のモデルの検討を行った。結果、これまでのモデルは界面物理学の知見(フェルミレベルピニング現象)と大きく矛盾していることが分かり、これを指摘した。また、この問題を克服することを目指して、新たな金属-半導体界面のモデルを提案し、電流-電圧特性を計算することでモデルの妥当性を検討した。計算の結果、従来のモデルを用いることなく、提案したモデルでオーミック接触の特性が得られることが分かった。そのため、平成22年度は次のような研究を行った。1.ナノスケールオーミックコンタクト作成のためのモデル提案ナノスケールのオーミックコンタクトの作成指針の獲得を目指して、従来のモデルの検討および新モデルの提案・検討を行った。ナノスケールの環境ではドーピングによる不純物濃度のばらつきが大きくなると考えられるため、ドーピングによる作成は難しいと考えられる。また、フェルミレベルピニング現象が起こるため、ショットキー障壁高さの制御が容易ではない。この問題を克服するため、ショットキー障壁のエネルギー領域に多数の離散準位が存在し、これらの準位との共鳴トンネルによって電子が伝導するとするモデルを提案した。理論計算によって、提案したモデルにおいてオーミックな特性を持つ電流-電圧特性が得られることを示した。オーミックな特性を得るためには離散準位の分布が非常に重要であることが分かった。このような結果から、本モデルがナノスケールオーミックコンタクト作成のための有力なモデルであることを提案した。2.曲率を持った界面での仕事関数の形状依存性近年デバイスの微細化には物理的な限界が見え始めており、シリコンナノワイヤを用いた構造のトランジスタは、電流のON/OFF比の高さなどから次世代のトランジスタの有力な候補として期待されている。この際、ナノワイヤチャネルが曲率を持った界面を生むことが考えられる。しかし、このような曲率を持った界面を制御する方法に関する研究は非常に少ない。このため、曲率を持った界面での仕事関数に注目し、その形状依存性を計算によって導出することを目的として、密度汎関数理諭に基づいた計算コードの作成を行った。ナノスケール伝導体を挟むソース電極(電荷の出発点)とドレイン電極(電荷の終着点)の

間に通常の電圧(1V程度)を印加すると、伝導体は高電界下に置かれ、ドレイン電極が最早熱平衡状態にはならない。我々はこれまで全く研究の行われてこなかった高電界下のナノスケール伝導体中の電子ダイナミクスに関する研究を行った。本研究において、ナノスケール伝導体中の電子は「波でもなく粒子でもない状態」、電子波束として伝導に寄与すると考え、粒子性と波動性のクロスオーバーする領域での電子ダイナミクスを検討することを狙った。電子波束は、原理的にエネルギーの高い固有状態も含んでおり、その影響は多体効果において特に顕著に表れる。すなわち、多体の電子相関効果を取り込んだ電子波束ダイナミクスを考えることが非常に重要である。本研究ではナノスケール伝導体中での電子輸送に関する基礎的な知見を得ることを目指して、長距離電子間相互作用を取り込んだ多電子波束ダイナミクスに関する理論的研究を行った。計算の結果、電子間相互作用によって電子波束の時間発展が抑制されるという結果を得た。結果は、ナノスケール伝導体中において電子が粒子性を示すことを示唆する結果である。言い換えると、電子間相互作用が電子波束の寿命を伸長する様な影響を与えることが分かった。また、電界を加えたシステムにおいても、電子波束がこのような振舞を示すという結果も得られた。したがって、本研究の結果から将来のナノデバイスにおいては電子間相互作用がデバイス特性に非常に重要な影響を与える要素であると考えられる。そのためこのような結果とその発展は、将来のナノデバイス設計に有力な指針を与えることができると考えられる。
第一原理乱流シミュレーションによる核燃焼プラズマ中の燃料・不純物輸送研究

本研究では核融合プラズマの第一原理モデルである5次元ジャイロ運動論に基づいた多粒子種乱流シミュレーションにより、核融合炉炉心プラズマ中の燃料および不純物輸送過程の解析を実施した。複数のイオン種で構成される燃焼プラズマの解析を実現する多粒子種シミュレーションモデルを開発し、それらを活用した大規模数値シミュレーションを実施した。一連の研究により、トカマク実験データとの比較によるシミュレーションコードの予測精度の検証が進展するとともに、乱流を駆動する微視的不安定性に対する水素同位体質量の依存性や、燃焼プラズマ乱流における燃料イオンおよびヘリウム灰の輸送特性に関する理論的解明が進展している。核燃焼プラズマにおけるヘリウム灰やベリリウム、タングステン等の不純物輸送過程の解明と制御法の確立は、核融合炉における自己点火や定常燃焼の達成する上で重要な課題である。本研究は核融合プラズマの第一原理モデルである5次元ジャイロ運動論に基づいた多粒子種乱流シミュレーションにより、炉心プラズマ乱流中の燃料・不純物輸送過程の解析を行う。平成26年度においては、まず多粒子種乱流シミュレーションモデルの構築および高精度化を実施した。燃料同位体や不純物の乱流輸送レベルを予測するには、異種粒子種間衝突過程を正確に取り扱う必要があり、研究代表者らが開発を進めている乱流コードGKVに実装されていた簡約的な同種粒子衝突モデルを多粒子種衝突モデルへと拡張した。さらに、衝突計算に関わる数値誤差を軽減する手法を考案し、時空間スケールの離れたイオンー電子間衝突においても高い精度で保存特性が維持されることが確認された。これにより、燃焼プラズマ乱流解析に必要不可欠なシミュレーションモデルの開発が完了した。拡張されたシミュレーションモデルを用いて、実際のトカマク実験データに基づいた乱流輸送シミュレーション解析を実施し、イオンおよび電子熱輸送レベルに関する定量予測性能の検証を行った。プラズマ周辺領域におけるイオン熱輸送レベルについては実験結果からの差異が見られたものの、炉心内部領域ではイオン・電子ともに、実験結果と同程度の輸送レベルを示すことが確認された。また、ヘリウム、炭素、アルゴン等の軽不純物の影響を線形安定性解析によって調べ、輸送を駆動するITG-TEM不安定性の成長率が不純物印可によって減少することを明らかにした。これらはトカマク装置におけるアルゴン入射実験で観測されている閉じ込め特性を定性的に再現していることから、構築した多粒子種乱流シミュレーションモデルの有効性が確認された。平成27年度においては、前年度に開発した多粒子種乱流シミュレーションモデルの高度化を実施した。特に異種粒子間の衝突モデルにおいて、電子-イオン衝突の計算時に発生する顕著な数値誤差を抑制する補正衝突モデルを考案し、衝突モデルが満たすべき保存特性やエントロピー増大則を高い精度で保持することが確認された。これらは燃焼プラズマ乱流解析に必要不可欠なシミュレーションモデルの拡張と位置付けられる。拡張されたシミュレーションモデルを用いて、ITERトカマクにおける燃焼プラズマ乱流シミュレーション解析を実施した。重水素および三重水素の燃料イオンに加え、燃焼反応から生じるヘリウム灰、さらには実質量の運動論的電子の合計4粒子種から構成されるプラズマに対して、ジャイロ運動論的ITG-TEM乱流シミュレーションを実行しそれぞれの粒子種の乱流輸送特性を解析した。その結果、粒子輸送のバランスが燃料比率やヘリウム灰の蓄積率に強く依存することを明らかにした。さらに、分布パラメータに関するスキャンを実施することにより、定常燃焼条件が成立する熱・粒子輸送および分布特性を同定することに成功した。軸対称トカマクプラズマに加え、非軸対称ヘリカルプラズマにおける微視的不安定性への水素同位体効果の影響も解析された。その結果、電子-イオン衝突を介したTEM不安定性成長率の顕著な同位体効果が明らかとなり、より重い水素同位体プラズマにおいて乱流輸送低減が期待されるといった重要な指針を得た。平成27年度研究実施計画における達成目標は、1)多粒子種乱流シミュレーションモデルの高度化、2)燃料イオン及びヘリウム灰を含んだイオンスケール乱流輸送シミュレーションの実施であった。1)については、多粒子種衝突モデルの数値的特性の改良および検証が完了しており、燃焼プラズマ乱流解析に必要不可欠なシミュレーションモデルの構築が完了している。また、2)についても、重水素、三重水素、ヘリウム灰、電子の4粒子種からなるITG-TEM乱流シミュレーションをITERプラズマに対して実施することにより、これまでの単一粒子種解析では見出されなかった粒子輸送特性の発見や、定常燃焼条件が成立する輸送・分布特性の定量的な検証につながっている。さらにトカマクのみならずヘリカルプラズマにおける水素同位体効果についても解析が進んでいることからも、本研究課題は当初計画以上に進展していると言える。核燃焼プラズマにおける燃料イオンおよびヘリウム灰イオン、タングステンイオン等の輸送過程の解明と制御法の確立は、核融合炉における自己点火や定常燃焼の達成する上で重要な課題である。平成27年度までは、主に、多粒子種乱流シミュレーションモデルの開発や高度化、妥当性検証を実施した。異種粒子間の衝突に関して新たな数値モデルを考案し、衝突演算子が満たすべき保存特性やエントロピー増大則を高い精度で保持することが確認された。

平成27年度から平成28年度にかけては、拡張されたシミュレーションモデルを用いて、ITERトカマクにおける多種イオンプラズマ乱流シミュレーション解析およびヘリカルプラズマにおける水素同位体乱流シミュレーション解析を実施した。2種の燃料イオンやヘリウム灰イオン、さらには実質量の運動論的電子の合計4粒子種から構成されるトカマクプラズマに対してジャイロ運動論的ITG-TEM乱流シミュレーションを実行し、それぞれの粒子種の乱流輸送特性明らかにすると共に、定常燃焼条件が成立する熱・粒子輸送および分布特性を第一原理モデルの見地から検証した。また、軸対称トカマクプラズマに加え、非軸対称ヘリカルプラズマにおける微視的不安定性や乱流輸送への水素同位体質量効果の影響に関する解析が成され、その結果、電子-イオン衝突を介したTEM不安定性成長率の顕著な同位体質量効果と付随するゾーナルフロー生成の増大が明らかとなった。一連の研究により、将来の燃焼プラズマにおいて不可欠となる多種イオン輸送や同位体質量効果に関する物理メカニズムの理論的解明が進展している。本研究では核融合プラズマの第一原理モデルである5次元ジャイロ運動論に基づいた多粒子種乱流シミュレーションにより、核融合炉炉心プラズマ中の燃料および不純物輸送過程の解析を実施した。複数のイオン種で構成される燃焼プラズマの解析を実現する多粒子種シミュレーションモデルを開発し、それらを活用した大規模数値シミュレーションを実施した。一連の研究により、トカマク実験データとの比較によるシミュレーションコードの予測精度の検証が進展するとともに、乱流を駆動する微視的不安定性に対する水素同位体質量の依存性や、燃焼プラズマ乱流における燃料イオンおよびヘリウム灰の輸送特性に関する理論的解明が進展している。平成26年度研究実施計画における達成目標は、1)多粒子種乱流シミュレーションモデルの開発と検証、2)ITERあるいはJT-60SAトカマクを見据えたイオンスケール乱流輸送シミュレーションの実施と実験との比較による定量予測性能の検証であった。1)については、多粒子種衝突モデルの開発と実装および数値的特性の検証が完了しており、燃焼プラズマ乱流解析に必要不可欠なシミュレーションモデルの構築が完了した。また、2)についても、実際のトカマク実験データに基づくITG-TEM乱流シミュレーション解析を実施することにより、実験結果と同程度のイオン及び電子熱輸送レベルを得るといった良好な定量予測性能が確認された。以上により、本研究課題は順調に進展していると言える。次年度は引き続き、ITER燃焼プラズマ乱流輸送シミュレーションを実施するとともに、さらなるシミュレーションモデルの拡張にも取り組む。具体的には、プラズマ回転の効果および径方向電場の効果を多粒子種乱流シミュレーションモデルに組み入れる拡張を行う。