課題国際共同研究活動「LIA336 やプロヴァンス大学に係る共同研究

課題
国際共同研究活動「LIA336 やプロヴァンス大学に係る共同研究
および ITER International Summer School (IISS)等の推進」
（なお、フランスプロヴァンス大学がエクス・マルセイユ大学（Aix Marseille University）
と統合改名されたので、報告文中エクス・マルセイユ大学（Aix Marseille University）と
表記する。
）
研究代表者
伊藤公孝（核融合科学研究所
大型ヘリカル研究部
教授）
研究協力者
海外
Prof. S. Benkadda (フランス、LIA336 共同所長：Aix Marseille University お
よび CNRS)
Prof. Jean-Marc Layet (フランス、Aix Marseille University)
Prof. Alain Allouche(フランス、Aix Marseille University)
Prof. G. Bonhomme（フランス、Nancy-University）
国内
伊藤早苗（LIA336 共同所長：九州大学副学長教授、および伊藤極限プラ
ズマ研究連携センター長）
矢木雅敏（九州大学客員教授：日本原子力研究開発機構グループリーダー）
稲垣滋（九州大学応用力学研究所准教授）
浜口智志（大阪大学大学院工学研究科教授）
福山淳（京都大学大学院工学研究科教授）
加藤太治（核融合科学研究所大型ヘリカル研究部准教授）
洲鎌英雄（核融合科学研究所大型ヘリカル研究部教授）
山田弘司（核融合科学研究所大型ヘリカル研究部教授）
1.
目的と期待される成果
「磁場核融合に関する国際連携研究所 LIA336」やエクス・マルセイユ大学との協力
等に関わる国際共同研究活動を通じて磁場核融合研究の共同研究を推進し国際学術拠
点への発展を目指す。さらに ITER International Summer School(IISS)を振興させ国
際的人材育成にも寄与する事を目指す。
特に今年度当初に期待された成果としては：
磁場や磁場構造というテーマに関する研究成果に焦点を当てて展開する；
ITER International School(IIS)を推進する；
若手研究者の育成を重んじる；
という観点から、エクス・マルセイユ大学との協力や開催される LIA336 の国際共同研
究活動、IIS のプログラム作成への寄与や講師派遣などを推進し研究成果をあげる。
1
2.
成果
2.1
LIA336 の延長と高い評価
LIA336 の設立以来４年間の成果についてフランス国内での評価が行われ、研究
成果及び twin doctor degree の育成等類のない成果も含め、LIA-336 の成果が極め
て高く評価された。当初４年間の協定が 2011 年 10 月 21 日で満了し、核融合科学
研究所、九州大学、大阪大学、エクス・マルセイユ大学、CNRS によって 2011 年
10 月 22 日からの次期 4 年間へと延長された。
LIA336 の高い評価は公表されている。例えば、CNRS の国際活動を紹介するウ
エッブサイト（Engineering Department of CNRS）では我が国での LIA 活動を
http://www.cnrs.fr/derci/spip.php?article198
のように紹介している。
CNRS の様式では、重要性の順に沿って表示されているので、LIA336 がこの中
で最も高く評価されている事が分かる。
「磁場閉じ込めプラズマ中の乱流、磁気島及び磁力線の研究」事業による継続的な
支援に深く感謝する。
2.2 ITER International School(IIS)-2014 の準備
ITER International Summer School については 2012 年にいくつかの変更が行わ
れた。まず、 6th ITER International School 2012 (IIS 2012)がインドで 12 月に開
催されたので、名称から summer を外して IIS-2012 と呼ばれた。以後 IIS で統一す
る事となった。また、2013 年夏迄の期間が短いため、2013 年は休止し、2014 年夏
に開催する事となった。
下記に説明する Benkadda 教授の来日の際に、IIS の今後の学術テーマに関する
検討を行った。その成果も踏まえ、ITER IO とも打ち合わせを行った。以上の結果、
核融合学に関わる最先端計算科学をテーマとする事になった。我が国からの講師派
遣(2014 年度)の調整を始めている。
2.3 LIA-336 の国際研究ワークショップ企画
国際研究ワークショップを企画した。2012 年 9 月に引き続き、2013 年 7 月に計
画したが、フランス側の事情から 2014 年に延期された。2014 年 6 月 23 日、ベルリ
ンに於いて、5th LIA Workshop を開催する運びとなっている。
2
2.4 国際共同研究
○ Benkadda 博士を招聘するとともに長距離相関を持つ弾道的な乱流ダイナミクス
に関する共同研究を進めた。乱流場と圧力勾配に加え、速度シアという三つの物理
量の結合した弾道的ダイナミクスを研究した。
非局所的な応答を齎す乱流のダイナミクスは広く知られているが、その定式法が
確立していない。本研究において、熱流の動的変動を大域的に観測し、Lagrangean
correlation を観測する事により、そうした応答を定量的に抽出する事に成功した。
その成果を次の論文にまとめ投稿した。
Satoru SUGITA, Kimitaka ITOH, Masatoshi YAGI, Sanae-I. ITOH, Guillaume
FUHR, Peter BEYER, and Sadruddin BENKADDA: Statistical Analysis of
Ballistic Propagation Distance in Edge Turbulence, submitted to Plasma Fusion
Res. (2013)
この研究の成果は、広い波及効果を示し始めている。二つの波及例を紹介する。
理論研究では、乱流計測シミュレーターに於いて、長い相関長を持つ統計的なダ
イナミックスを探査する方法として取り入れられ、実際に計測法の開発を駆動して
いる。
N. Kasuya, S. Sugita, M. Sasaki, S. Inagaki, M. Yagi, K. Itoh and S.-I. Itoh;
Evaluation of Spatial Variation of Nonlinear Energy Transfer by Use of
Turbulence Diagnostic Simulator, Plasma Fusion Res. 8, 2403070 (2013)
実験的にも、輸送の研究が進み局所的な関係式で完結させる「局所モデル」の破
綻が明確になっている。このテーマについて、総合的論文
K. Ida, Z. Shi, H. Sun, S. Inagaki, K. Kamiya, J. Rice, N. Tamura, P. H. Diamond,
T. Estrada, C. Hidalgo, X. L. Zou, G. Dif-Pradalier, T. S. Hahm, U. Stroth, A. Field,
K. Itoh, X. Ding, J. Dong, S.-I. Itoh, Y. Sakamoto, and S. Oldenbürger, Towards an
Emerging Understanding of Nonlocal Transport, submitted to Nucl. Fusion
(2014)
において、今後問題を解決する為の概念として用いられ、観測検証法が議論されて
いる。
なお、これらの成果に関しては、杉田暁氏（中部大学中部高等学術研究所国際
GIS センター）との共同研究におうところが大きい事を特記する。
こうした研究は、LHD に於ける重水素実験研究の成否にとって大きな役割を果
たすと考えられる。
従来経験的に観測されて来たプラズマ閉じ込めに於ける水素同位体効果につい
て、基礎物理学的な理解が遅れている。さらに、トカマクで観測されて来た事がヘ
リカル系装置でも同様に観測されるのか、見通しも曖昧に留まっている。その中で、
文部科学省学術分科会研究環境基盤部会学術研究の大型プロジェクトに関す
る作業部会は、計画推進に当たっての留意点として「特に、本計画によって、理
論的に解明できていないアイソトープ効果等の研究を推進し、物理理解の新たな展
開を促し、学術的な価値を高めることが必要である。」と明確に指摘している。我が
国の核融合科学の推進にとって、水素同位体効果について基礎物理学的な理解を進
める事が急務になっている。
こうした新しい研究を開拓するにあたって、水素同位体効果についての一つの仮
説として、
3
K. Itoh and S.-I. Itoh:Inﬂuence of the wall material on the H-mode performance,
Plasma Phys. Control. Fusion 37 (1995), pp.491
にある考えを拡張し、表面付近の原子分子過程を含むダイナミクスと、コアプラズ
マの乱流輸送が拡散モデルを超えた機構で結合する事に起因する、という考え方を
提示した。
（LHD 重水素実験研究計画策定会合 2014 年 1 月 31 日）
（トロイダルプラズマに於ける謎の現象と仮説。
）
更に、核融合科学石沢助教との電磁乱流に関する共同研究を推進した。
○ 従来の研究領域を広げ、更なる研究の加速を目指した試行も開始した。（1）核融
合科学研究では、プラズマと固体・気体との相互作用も重要な課題であるが、その
過程における磁場構造の効果と言う未踏の研究課題がある。その新領域への試行を
開始している。（2）プラズマと物質相互作用におけるプラズマ原子分子物理学の応
用にも試行研究を進める事とした。こられの研究を通じて、プラズマダイナミック
ス過程における磁場構造の効果という新領域の研究の推進に寄与すると考えている。
エクス‐マルセイユ大学の Yves Ferro 助教、Alain Allouche 教授と核融合科学研究
所の加藤太治准教授は、タングステンのプラズマ壁相互作用に関する第一原理モデ
リングを共同で進めている。その結果、2014 年 5 月 26 日～30 日に金沢市で開催さ
れる PSI 国際会議に 2 件の共著論文を投稿した（別紙 1、2 投稿アブストラクト添
付）。以上、本共同研究は着実に進展し、新しい知見が得られており、その成果の公
表も活発に進めている。今後の課題は、タングステン材料に関する新規基礎物性研
究を、核融合炉環境下での水素吸蔵量予測モデルの開発につなげることである。そ
のために、速度論などのマクロスコピックな方法も取り入れ、基礎実験との比較に
よる物理モデルのバリデーションを行う方針である。
3.
海外からの招聘
3.1 Benkadda 教授の招聘
S. Benkadda(Aix-Marseille 大学教授、International Institute for Fusion Science
所長)
核融合科学研究所、大阪大学および九州大学に招聘。（2014 年 1 月 8 日~1 月 18 日）
長距離相関を持つ弾道的な乱流ダイナミクスに関する共同研究を進めた。上記成果を
踏まえ、乱流場と圧力勾配に加え、速度シアという三つの物理量の結合した弾道的ダイ
4
ナミクスを研究した。核融合科学石沢助教との電磁乱流に関する共同研究を推進した。
プラズマと物質相互作用における共同研究を推進した。これらの成果に着いて論文執筆
をすすめた。集中講義を行い、国際講義に大きく寄与した。
IIS2014 のプログラム構成を打ち合わせ、案を作り上げた。
LIA336 ワークショップ(2014 年 6 月)のプログラムを作り上げた。
（Benkadda 教授の国際講義の光景）
3.2 O. Agullo 博士（Aix-Marseille Univ.）の招聘
我が国を訪問中の同博士（Benkadda 教授の共同研究者）を核融合科学研究所に招聘
しセミナーを行った。
Title: Magnetic island dynamics in presence of current sheets and in a turbulent
medium
内容紹介を参考資料 1 として添付する。
3.3 FERRO Yves 博士（エクス‐マルセイユ大学（フランス）助教）の招聘
（期間 H25 年 10 月 1 日～4 日）
プラズマ壁相互作用の理論モデリングに関する共同研究打合せを目的とし、Yves
Ferro 助教を招聘した。エクス‐マルセイユ大学の Yves Ferro 助教、Alain Allouche
教授とは、核融合科学の加藤太治准教授を中心に、タングステンのプラズマ壁相互作用
に関する第一原理モデリングを共同で進めている。今回招へいの目的は、タングステン、
ならびにタングステン合金や化合物の水素吸蔵特性に関して、これまで行ってきた共同
研究で得られた新しい知見をまとめた共著論文についての打合せである。その結果、
2014 年 5 月 26 日～30 日に金沢市で開催される PSI 国際会議に 2 件の共著論文を投稿
した（別添 1、2 投稿アブストラクト添付）。また、ベリリウム－タングステン合金の
水素吸蔵・輸送特性に関する第一原理計算の結果について、学術誌に投稿する本論文[A.
Allouche, N. Fernandez, Y. Ferro, and D. Kato, Hydrogen retention and diffusion in
beryllium-tungsten alloys]の草稿を作成した。
4.
課題と今後の予定
国際的学術拠点の形成については、大規模研究「非平衡極限プラズマ全国共同連携ネ
ットワーク研究計画」実現に向けた努力を行う。国際交流によって、国際的な評価を高
5
め、国際的競争力を増すための努力を行う。国際的研究者コミュニティの共同研究交流
拠点形成を生み出す基盤をより確実にする。
なお、2 節にも説明したように、本研究は、LHD に於ける重水素実験研究の成否に
とって大きな役割を果たしうると考えられる。LHD に於ける重水素実験を中心主題と
する学術拠点形成活動が強化されるのなら、そちらへの知識循環を強化する事も有意義
と考えられる。
具体的研究テーマについて磁場閉じ込めプラズマ中の乱流に関する研究では、
correlation hunting 法の応用や熱伝達波の高精度観測法の応用に努める。ブロブ等統
計的偏差の大きいダイナミクスの研究や電磁乱流に関する研究を進める。共同研究で行
われているプラズマと第一壁材料の相互作用に関わる磁場配位効果の検討については、
水素イオンの捕獲および化学スパッタリングに関する過程について試行研究を進める。
ITER International School の推進については、我が国からの参加を支える中核とし
ての役割を果たし、ITER 活動に於ける学術的な先導性を実現している。今後とも ITER
活動に於ける学術的な先導性を保つために活動を展開する必要がある。
5. 成果
5.1 論文投稿
直接成果
Satoru SUGITA, Kimitaka ITOH, Masatoshi YAGI, Sanae-I. ITOH, Guillaume
FUHR, Peter BEYER, and Sadruddin BENKADDA: Statistical Analysis of Ballistic
Propagation Distance in Edge Turbulence, submitted to Plasma Fusion Res. (2013)
波及成果
N. Kasuya, S. Sugita, M. Sasaki, S. Inagaki, M. Yagi, K. Itoh and S.-I. Itoh;
Evaluation of Spatial Variation of Nonlinear Energy Transfer by Use of Turbulence
Diagnostic Simulator, Plasma Fusion Res. 8, 2403070 (2013)
K. Ida, Z. Shi, H. Sun, S. Inagaki, K. Kamiya, J. Rice, N. Tamura, P. H. Diamond, T.
Estrada, C. Hidalgo, X. L. Zou, G. Dif-Pradalier, T. S. Hahm, U. Stroth, A. Field, K.
Itoh, X. Ding, J. Dong, S.-I. Itoh, Y. Sakamoto, and S. Oldenbürger, Towards an
Emerging Understanding of Nonlocal Transport, submitted to Nucl. Fusion (2014)
5.2 関連学術発表
O. Agullo（Aix-Marseille Univ.）
Title: Magnetic island dynamics in presence of current sheets and in a turbulent
medium
K. Itoh: LHD 重水素実験研究の加速法（LHD 重水素実験研究計画策定会合 2014 年 1
月 31 日）
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別添 1
H trapping and de-trapping in tungsten: a DFT investigation that includes
temperature dependency meant to understand TPD analysis and H retention in W
N. Fernandeza, Y. Ferroa, D. Katob, and A. Allouchea
aAix-Marseille
bNational
Université, CNRS, PIIM UMR 7345, 13 397 Marseille, France
Institute for Fusion Science,322-6 Oroshi-cho, Toki 509-5292, Japan
yves.ferro@univ-amu.fr
This work is meant to understand TPD analysis in tungsten and the mechanisms
that govern H retention in tungsten.
We calculated the trapping and diffusion energies of interstitial H atoms (Hint) in
tungsten, and the trapping energies in vacancies (V) of one to twelve H atoms (VHj,
j=1,12). These calculations are performed with Density Functional Theory (DFT),
meaning at 0K temperature. A subsequent vibrational analysis is performed
through phonon calculations to add the temperature dependency: enthalpies,
entropies en free Gibbs enthalpies are then produced as a function of temperature.
This enables us to access kinetic properties: we used the calculated activation
energies, calculated the pre-factors of the Arrhenius laws, and are able to associate
to each peak in the TPD spectra the corresponding de-trapping processes.
The hydrogen population in tungsten can distribute itself in many different ways,
leading to many different configurations of trapped H atoms VHj. This statistic is
taken into account through configurationally entropy. The Hint and VHj
concentration are calculated at equilibrium as a function of the temperature.
Kinetics and thermodynamic data are then complementary: the first one allows
determining the temperature of desorption peaks, the second one would help
determining their relative intensity, on the way to the simulation of the TPD spectra
with no empirical parameters.
At the end of this work, we can understand the main mechanisms taking place in the
TPD spectra of not-too-damaged tungsten samples and the hydrogen retention
mechanisms in tungsten. An extension of this work toward more damaged materials
including big voids is also discussed.
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別添 2
Hydrogen retention and diffusion in beryllium – tungsten alloys
A. Allouche, N.Fernandez, Y.Ferro
Physique des Interactions Ioniques et Moléculaires, CNRS and Aix-Marseille
Université (UMR7345), Campus
Scientifique de Saint Jérôme, service 242, 13397 Marseille Cedex 20 - FRANCE
D.Kato
National Institute for Fusion Science, 322-6 Oroshi-cho, Toki, Gifu 509-5292,
JAPAN
alain.allouche@univ-amu.fr
Numerous experiments have been performed in the past few years on solid hydride
deposition under beryllium seeded plasma action or on energetic hydrogen
implantation into metallic beryllium; many others have been devoted to hydrogen
retention and diffusion in tungsten. On the contrary very little is known about
hydrogen interaction with the alloys of these metals, although their mixed
compounds have been experimentally detected in laboratory simulations in the
domain of nuclear fusion. This contribution reports on calculations carried out using
first-principles density functional theory (DFT) on tungsten beryllide crystal
(Be12W) taken as a model of alloy. The formation and reactivity of atomic vacancies
are investigated in the domain of temperature ranging from 0 to 500 K, together
with atomic hydrogen retention and diffusivity in the bulk and in/out vacancies. The
discussion is developed on the consequences of tungsten impurities on hydrogen
retention in pure beryllium according to temperature. Consequences on hydrogen
isotopes diffusion to the pure metallic phase (beryllium or tungsten) are also derived
and clues are proposed about the possible role of H-reservoir the alloy could play.
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参考資料 1
Magnetic island dynamics in presence of current sheets and in a turbulent medium
O. Agullo
Aix-Marseille Univ., PIIM Laboratory, UMR 7345 CNRS, Marseille, France
In natural as well as laboratory plasmas, instabilities can generate large scale
structures. Coronal loops in the sun or magnetic islands in fusion devices are well
known examples of magnetic structures that can give rise to coronal mass ejection
and disruption phenomena in tokamaks respectively. We show that at large D0,
island width at saturation is independent of transient phenomena such as X-point
collapse, coalescence instability and plasmoid generation, and also viscosity and
resistivity. Moreover, presence of the external current sheets leads to the formation
of different island state for the same value of D0. It is found that the flow vorticity
generated by the interacting current sheets is an important feature of nonlocal
interactions and nonlocal effects in magnetic islands dynamics. Quite frequently
MHD structures coexist with fine scale micro-structures associated with turbulent
fluctuations arising from various microinstabilities such as the interchange
instability. Recent works have shown that turbulence can drive and sustain
magnetic islands. It is shown here that turbulence can induce magnetic islands in
non turbulent regions and the nature of such drive is explicited by means of
numerical simulations. The special role of the zonal flow in this nonlinear
mechanism is emphasized.
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