粒子モデルに基づく大規模シミュレーションにより、核融合装置の一つであるドーナツ形状したトカマクプラズマ中で発生する乱流構造を再現することに成功しました。
このシミュレーションでは、プラズマ全体を凡そ3000万個の粒子（イオン）を正確に追跡することによって再現しています。
右上図（b）は、これらの粒子の中から3000個をランダムにピックアップしたものです。これらの粒子は電場や磁場を介して互いに相互作用し、その結果プラズマ中には、左図（a）に見られるような電磁場の揺らぎ（乱流）が発生します。
この図では、赤色は「正」のポテンシャル、青色は「負」のポテンシャルに対応しますが、左図（a）あるいは右下図（c）から分かるように、トカマクプラズマ中に発生する揺らぎは、ドーナツ断面では多数のミクロな渦構造を、ドーナツ方向には細長いマクロな構造を持ち、非等方な分布をしているのが特徴です。
このような揺らぎの構造は、トカマクを閉じ込めるため外部から加えられている磁場構造の影響を強く受けています。

このような揺らぎがプラズマに大きな輸送を引き起こし、プラズマの閉じ込めを低下させますが、一方では、このような揺らぎの存在がプラズマ中に様々な構造が生じる要因であることも分かってきており、核融合エネルギーを目指した研究のみならず、幅広い学術分野の研究対象となっています。
このような揺らぎの構造を理解し、またそれらを如何に抑制するかが核融合研究の重要課題の一つとなっています。

参考文献

1. Theory of self-organized critical transport in tokamak plasmas Y. Kishimoto, T. Tajima, et al., Phys. Plasmas 3, No.4, 1289-1307 (1996)
2. Totoidal mode structure in weak and reversed magnetic shear plasmas and its role in the internal transport barrier Y. Kishimoto, J.-Y. Kim et al., Plasma Phys. Controlled Fusion 41, A663-A677 (1999)
3. Discontinuity model for internal transport barrier formation in reversed magnetic shear plasmas Y. Kishimoto, J.Y. Kim, et al., Nuclear Fusion 40, No.3Y, 667-676 (2000)
4. シミュレーションで見るトカマクの微視的乱流 日本原子力研究所 那珂研究所 炉心プラズマ研究部 プラズマ理論研究室（岸本泰明）プラズマ・核融合学会誌　Vol. 76, No.1, CD-ROM (2000)
5. 異常輸送（講座：邦文）岸本泰明, プラズマ・核融合学会誌　Vol. 76, No.12, 1280-1308 (2000)

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計算科学に基づく大規模シミュレーションは、理論・実験と並ぶ第三の手法として様々な科学・技術分野で積極的に活用され、従来の理論や実験手法では解明が困難な複雑現象解明の新しいアプローチとして期待されています。本研究では、地域的あるいは分野的に分散した複数の共同研究者が関与する大規模シミュレーション研究を 効率的に推進するため、SImulation MONitoring（SIMON）と総称した遠隔共同研究システムを研究開発することにあります。システムの中核をなす機能は、スーパーコンピュータ上で起動しているシミュレーション（クライアント）から外部ワークステーション（サーバ）に向けて様々の作業依頼を送信する「トリガー手法」に基づく「クライアント・サーバコントロールシステム」です。外部サーバは、データ転送や解析、あるいは画像処理などの依頼情報のみをシミュレーションから受け取り、その内容に従って独立にそれらの作業を行います。また、サーバはこれらの最新情報や更新結果をシミュレーションに関与する共同研究者が時間と場所を問わずモニターできるようにWebに逐次配信します。 この機能によって、シミュレーション研究に関与する共同研究者は、シミュレーション結果を、 様々な環境において最新情報や更新結果をWeb browserで確認することが出来ます。
本手法は、シミュレーション後に様々の解析を行う従来の「ポストプロセス(Post-process)処理」に対して、シミュレーション実行中に随時解析を行う「アップデート(Up-date) 処理」の新提案として位置づけています。

参考文献

1. Y.Kishimoto, A.Sugahara and J.Q.li "Remote collaboration system based on large scale simulation"Fusion Engineering and Design 83 issues 2-3, 434-437 (April 2008)
2. 菅原章博、岸本泰明 "大規模シミュレーションを中心に据えた遠隔研究システム"Journal of Plasma and Fusion Research 84, No.1, 51-61 (2008)

International Remote Internet collaboration Sysyem

昨今のハードウェアとしての計算機の発展は日進月歩であり、それとともに数値アルゴリズムや並列計算手法などのソフトウェアの進展も目覚ましいものがあります。 実際、これまで現実的でなかった規模のシミュレーションが可能になり、階層間の相互作用や連結といった概念も浸透しつつあります。しかし、計算機の性能向上や計算手法の進展だけがシミュレーション研究を成功に導くものではありません。シミュレーションは大規模になればなるほど実験に近くなり、膨大なデータの中から目的とする現象を見出すのは研究者や研究グループの総合的な能力にゆだねられます。 大型装置を用いたプロジェクト実験では、計画の立案から実験の実施、データの解析や検討、現象の同定や論文化まで、多くの研究者や技術者が様々の役割分担のもとで研究に参画することによって目標が 達成されます。 シミュレーション研究においても、コードを実験装置と考えれば、初期条件の設定やシミュレーションの 実行・監視、シミュレーション後のデータ処理や解析などは基本的には実験研究と同じであり、それらすべてを一人の研究者が行うことは困難です。解明すべき問題が複雑になればなるほど専門分野の異なる多くの研究者の関与が不可欠となり、グループとしての取り組みがシミュレーション研究における課題解決能力や競争力を左右すると言えます。

多くの研究分野において、情報の収集や配信、交換や共有といったソフトウェア的な取り組みよって得られるメリットは実験装置などのハードウェアと同等に重要であり、それらの取り組みに比例して課題解決能力も向上することになり、ネットワークを介して共同研究者の間でシミュレーションを共有することは、それだけでも研究を推し進める要因になるとともに、それらを効率的な情報伝達システムや解析システムと組み合わせることができればさらに大きな発展が期待できます。 このことから、SIMONシステムを一つのコンテンツと見立て、「関連する研究者との密接な連携」を コンセプトにInternational Remote Internet collaboration Sysyem：IRISの研究開発も行っていまする。飛躍的な進歩を遂げるIT技術を駆使し、シミュレーション研究に直接参加できるシステムの研究開発を行っています。

Kishimoto-Li lab.
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