Non-inductive start-up of spherical tokamak by combination of electron beam injection and electron Bernstein heating

• Project/Area Number: 18H03689
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research (A)
• Allocation Type: Single-year Grants
• Section: 一般
• Review Section: Medium-sized Section 14:Plasma science and related fields
• Research Institution: Kyoto University
• Principal Investigator: Tanaka Hitoshi 京都大学, エネルギー科学研究科, 教授 (90183863)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 前川 孝 京都大学, エネルギー科学研究科, 名誉教授 (20127137) ; 打田 正樹 京都大学, エネルギー科学研究科, 准教授 (90322164)
• Project Period (FY): 2018-04-01 – 2021-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2020)
• Budget Amount: ¥43,420,000 (Direct Cost: ¥33,400,000、Indirect Cost: ¥10,020,000); Fiscal Year 2020: ¥7,150,000 (Direct Cost: ¥5,500,000、Indirect Cost: ¥1,650,000); Fiscal Year 2019: ¥18,200,000 (Direct Cost: ¥14,000,000、Indirect Cost: ¥4,200,000); Fiscal Year 2018: ¥18,070,000 (Direct Cost: ¥13,900,000、Indirect Cost: ¥4,170,000)
• Keywords: 球状トカマク / 無誘導立ち上げ / 電子ビーム入射 / 電子バーンスタイン波 / 電子サイクロトロン加熱・電流駆動 / オーバーデンスプラズマ

Outline of Final Research Achievements

Electron beam injection (EBI) to spherical tokamak (ST) plasmas which are non-inductively produced by electron Bernstein wave (EBW) has been carried out for the first time in LATE. When an electron beam with energy of 100 ~ 600 eV and current up to 800 A is injected, the electron density increases to more than 30 times the plasma cutoff density and is maintained by EBW and EBI. When the density increase is mild (~20 times the plasma cutoff density) at the early stage in EBI, the electron density profile, plasma images taken by a fast CCD camera and soft X-ray signals show the significant core heating around the electron cyclotron resonance layer. On the other hand, significant increment of plasma current is not observed. It may be partly because the feedback control of vertical magnetic field is not performed to maintain the tokamak equilibrium.

Academic Significance and Societal Importance of the Research Achievements

電子バーンスタイン波による電子サイクロトロン加熱・電流駆動と電子ビーム入射を組み合わせた無誘導球状トカマク形成実験を世界で初めて行い、遮断密度の30倍を超えるオーバーデンスプラズマの生成に成功した。詳しい物理解明はこれからではあるが、原理的に両者の複合により高密度の球状トカマクを生成できることが示されたので、中心ソレノイドコイル無しで中性粒子ビーム入射加熱が行えるターゲットプラズマを作り、そこから燃焼プラズマに至るという、将来の低コストな核融合炉心形成のシナリオを示すことができた。

Research Products

• [Presentation] Sawtooth-like density oscillations in the overdense ST plasma produced by EBW on LATE (2021)
  • Author(s): R. Kajita, Y. Nozawa, X. Guo, R. Ashida, R. Nakai, T. Nagaeki, Y. Ideta, S. Yoshioka, M. Uchida, H. Tanaka and T. Maekawa
  • Organizer: Korea-Japan Workshop on Physics and Technology of Heating and Current Drive
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Overview of Recent EBW Experiment in LATE (2020)
  • Author(s): H. Tanaka, Y. Nozawa, R. Kajita, X. Guo, T. Kuzuma, T. Nakai, S. Matsui, S. Yamagata, R. Ashida, R. Nakai, T. Nagaeki, M. Uchida, T. Maekawa
  • Organizer: 8th Kyushu QUEST Workshop
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Measurement of Mode-Conversion Process to Electron Bernstein Waves in Low Aspect ratio Torus Experiment (2020)
  • Author(s): X. Guo, R. Ashida, Y. Nozawa, R. Kajita, R. Nakai, T. Nagaeki, Y. Ideta, S. Yoshioka, H. Tanaka, M. Uchida, T. Maekawa
  • Organizer: The 29th International Toki Conference
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] LATEでのマイクロ波による無誘導立ち上げにおける入射波偏波調整実験 (2020)
  • Author(s): 野澤嘉孝, 梶田竜助, 郭星宇, 芦田涼, 中井亮太朗, 長嶧拓巳, 出田 雄己, 吉岡 慎太郎, 打田正樹, 田中仁, 前川孝
  • Organizer: 「先進トカマク開発のための実験研究」研究会
• [Presentation] LATEにおけるプラズマ噴出時の磁気計測 (2020)
  • Author(s): 梶田竜助, 野澤嘉孝, 郭星宇, 芦田涼, 中井亮太朗, 長嶧巧巳, 出田雄輝, 吉岡慎太郎, 打田正樹, 田中仁, 前川孝
  • Organizer: 「先進トカマク開発のための実験研究」研究会
• [Presentation] Direct Measurement of Electron Bernstein Waves in LATE (2020)
  • Author(s): X. Guo, R. Ashida, Y. Nozawa, R. Kajita, R. Nakai, T. Nagaeki, Y. Ideta, S. Yoshioka, H. Tanaka, M. Uchida, T. Maekawa
  • Organizer: 「先進トカマク開発のための実験研究」研究会
• [Presentation] ECH/ECCDによるITERの非誘導立ち上げ (2020)
  • Author(s): 前川孝、打田正樹、田中仁
  • Organizer: プラズマ・核融合学会第36回年会
• [Presentation] 電子バーンスタイン波で生成された球状トカマクプラズマへの電子ビーム入射実験 (2020)
  • Author(s): 田中仁，野澤嘉孝，梶田竜助，郭星宇，芦田涼，中井亮太朗，長嶧巧巳，出田雄己, 吉岡慎太郎, 打田正樹，前川孝
  • Organizer: プラズマ・核融合学会第36回年会
• [Presentation] LATE装置における電子バーンスタイン波直接検出実験結果 (2020)
  • Author(s): 郭星宇，芦田涼，野澤嘉孝，梶田竜助，中井亮太朗，長嶧巧巳，出田雄己，吉岡慎太郎，打田正樹，田中仁，前川孝
  • Organizer: プラズマ・核融合学会第36回年会
• [Presentation] LATE装置における電子バーンスタイン波直接検出のための２次元計測システム (2020)
  • Author(s): 芦田涼, 郭星宇, 野澤嘉孝, 梶田竜助, 中井亮太朗, 長嶧巧巳, 出田雄己, 吉岡慎太郎, 打田正樹, 田中仁, 前川孝
  • Organizer: プラズマ・核融合学会第36回年会
• [Presentation] LATE球状トカマクプラズマの空間電位計測用HIBPにおける入射イオンビーム制御による２次ビーム電流の最大化 (2020)
  • Author(s): 中井亮太朗, 吉岡慎太郎, 野澤嘉孝, 梶田竜助, 郭星宇, 芦田涼, 長嶧巧巳, 出田雄己, 田中仁, 打田正樹, 前川孝
  • Organizer: プラズマ・核融合学会第36回年会
• [Presentation] 球状トカマク装置LATEにおける4台のAXUVピンホールカメラを用いた軟X線CTシステムの構築 (2020)
  • Author(s): 長嶧巧巳, 打田正樹, 梶田竜助, 出田雄己, 野澤嘉孝, 郭星宇, 芦田涼, 中井亮太朗, 吉岡慎太郎, 田中仁, 前川孝
  • Organizer: プラズマ・核融合学会第36回年会
• [Presentation] Present status of EBW experiment in LATE (2019)
  • Author(s): H. Tanaka, R. Kajita, W. Tsukamoto, S. Matsui, Y. Nozawa, M. Uchida, T. Maekawa
  • Organizer: 7th Kyushu QUEST Workshop, Fukuoka, Japan
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Electron Bernstein wave heating and current drive in the LATE device (2019)
  • Author(s): H. Tanaka, Y. Nozawa, R. Kajita, M. Uchida, T. Maekawa
  • Organizer: 5th UNIST-Kyoto Univ. Workshop on "Physics validation and control of turbulent transport and MHD in fusion plasmas"
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Mapping of power deposition zone of electron Bernstein waves externally excited via mode conversion in tokamak plasmas (2019)
  • Author(s): T. Maekawa, H.Tanaka, M.Uchida
  • Organizer: 46th EPS Conference on Plasma Physics
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Effective electron Bernstein wave heating by polarization adjustment of incident microwave for non-inductive formation of spherical tokamak in LATE (2019)
  • Author(s): Y. Nozawa, R. Kajita, M.Uchida, H. Tanaka, T. Makawa
  • Organizer: 46th EPS Conference on Plasma Physics
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Overview of recent progress on non-inductive start-up experiment in LATE (2019)
  • Author(s): H. Tanaka, Y. Nozawa, R. Kajita, X. Guo, T. Kuzuma, T. Nakai, S. Matsui, S. Yamagata, R. Ashida, R. Nakai, T. Nagaeki, M. Uchida, T. Maekawa
  • Organizer: 20th International Spherical Torus Workshop
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] LATE装置における２周波数（2.45/5GHz）のマイクロ波を用いた電子バーンスタイン波加熱・電流駆動 (2019)
  • Author(s): 野澤嘉孝，梶田竜助，郭星宇，大谷純己，後藤恵介，塚本亘，野口哲夫，中井隆裕，松井三四郎，山形周平，久津間哲人，打田正樹，田中仁，前川孝
  • Organizer: 日本物理学会第74回年次大会
• [Presentation] 無誘導ECH/ECCDで立ち上げたオーバーデンス球状トカマクプラズマにおける間欠的プラズマ噴出現象 (2019)
  • Author(s): 梶田竜助，後藤恵介，野澤嘉孝，郭星宇，大谷純己，塚本亘，野口哲夫，久津間哲人，中井隆裕，松井三四郎，山形周平，打田正樹，田中仁，前川孝
  • Organizer: 日本物理学会第74回年次大会
• [Presentation] 全日本的連携による球状トカマク研究の現状 (2019)
  • Author(s): 高瀬雄一, 小野靖, 田中仁, 村上定義, 花田和明, 永田正義, 藤田隆明, 飯尾俊二, 藤堂泰, 竹入康彦, 笠原寛史, 鎌田裕
  • Organizer: 日本物理学会第74回年次大会
• [Presentation] LATE無誘導球状トカマクプラズマにおける間欠的プラズマ噴出現象 (2019)
  • Author(s): 梶田竜助，後藤恵介，塚本亘，野澤嘉孝，打田正樹，田中仁
  • Organizer: 第22回若手科学者によるプラズマ研究会
• [Presentation] LATEにおける無誘導球状トカマク立ち上げ実験 (2019)
  • Author(s): 田中仁, 野澤嘉孝, 梶田竜助, 郭星宇, 久津間哲人, 中井隆裕, 松井三四郎, 山形周平, 芦田涼, 中井亮太朗, 長嶧巧巳, 打田正樹, 前川孝
  • Organizer: 「先進トカマク概念の深化」研究会
• [Presentation] トカマクプラズマにおける電子バーンスタイン波吸収域の特定 (2019)
  • Author(s): 前川孝、田中仁、打田正樹
  • Organizer: プラズマ・核融合学会第36回年会
• [Presentation] 磁気プローブアレイによるLATEマイクロ波球状トカマクにおける間欠的プラズマ噴出の観測と解析 (2019)
  • Author(s): 梶田竜助, 野澤嘉孝, 郭星宇, 松井三四郎, 山形周平, 中井隆裕, 久津間哲人, 芦田涼, 中井亮太朗, 長嶧巧巳, 打田正樹, 田中仁, 前川孝
  • Organizer: プラズマ・核融合学会第36回年会
• [Presentation] Development of A Direct Detection System of Electron Bernstein Waves on LATE (2019)
  • Author(s): 郭星宇，芦田涼，野澤嘉孝，梶田竜助，中井隆裕，松井三四郎，山形周平，久津間哲人，中井亮太朗，長嶧巧巳，打田正樹，田中仁，前川孝
  • Organizer: プラズマ・核融合学会第36回年会
• [Presentation] 電子ビーム入射による球状トカマク無誘導立ち上げのための電子銃の開発 (2019)
  • Author(s): 久津間哲人, 田中仁, 野澤嘉孝, 梶田竜助, 郭星宇, 中井隆裕, 松井三四郎, 山形周平, 芦田涼, 中井亮太朗, 長嶧巧巳, 打田正樹, 前川孝
  • Organizer: プラズマ・核融合学会第36回年会
• [Presentation] LATEにおける電子バーンスタイン波加熱・電流駆動によって生成された高速電子の硬X線PHA計測 (2019)
  • Author(s): 中井隆裕, 長嶧巧巳, 野澤嘉孝, 梶田竜助, 郭星宇, 久津間哲人, 松井三四郎, 山形周平, 芦田涼, 中井亮太朗, 打田正樹, 田中仁, 前川孝
  • Organizer: プラズマ・核融合学会第36回年会
• [Presentation] LATEにおける空間電位計測用HIBP入射ビームラインの改良 (2019)
  • Author(s): 松井三四郎，中井亮太朗, 野澤嘉孝, 梶田竜助, 郭星宇, 久津間哲人, 中井隆裕, 山形周平, 芦田涼, 長嶧巧巳, 田中仁, 打田正樹, 前川孝
  • Organizer: プラズマ・核融合学会第36回年会
• [Presentation] LATEにおける4方向AXUVピンホールカメラを用いた軟X線CTシステムの開発 (2019)
  • Author(s): 山形周平，打田正樹，梶田竜助，野澤嘉孝，郭星宇，久津間哲人，中井隆裕，松井三四郎，芦田涼，中井亮太朗，長嶧巧巳，田中仁，前川孝
  • Organizer: プラズマ・核融合学会第36回年会
• [Presentation] Density oscillations by intermittent plasma ejection in the overdense ST plasma produced by EBW in the LATE device (2018)
  • Author(s): H. Tanaka, R. Kajita, Y. Nozawa, H. Shirai, M. Uchida, T. Maekawa
  • Organizer: 4th UNIST- Kyoto Univ. Workshop on "Physics validation and control of turbulent transport and MHD in fusion plasmas"
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Electron Bernstein Wave Heating and Current Drive with Multi-Electron Cyclotron Resonances During Non-inductive Start-up on LATE (2018)
  • Author(s): H. Tanaka, Y. Nozawa, M. Uchida, R. Kajita, Y. Omura, Y. Sakai, H. Shirai, J. Ootani, K. Goto, W. Tsukamoto, T. Noguchi, X. Guo, T. Maekawa
  • Organizer: 27th IAEA Fusion Energy Conference
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Non-inductive formation of overdense spherical tokamak plasmas by electron Bernstein waves in the LATE device (2018)
  • Author(s): H. Tanaka, Y. Nozawa, R. Kajita, J. Ootani, K. Goto, W. Tsukamoto, T. Noguchi, T. Kuzuma, T. Nakai, S. Matsui, S. Yamagata, X. Guo, M. Uchida, T. Maekawa
  • Organizer: 2nd Asia-Pacific Conference on Plasma Physics
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Present status of EBW experiment in LATE (2018)
  • Author(s): H. Tanaka, R. Kajita, W. Tsukamoto, S. Matsui, Y. Nozawa, M. Uchida, T. Maekawa
  • Organizer: 6th Kyushu QUEST Workshop
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 電子サイクロトロン加熱・電流駆動と冷陰極電子ビーム入射による無誘導電流立ち上げ (2018)
  • Author(s): 田中仁，野澤嘉孝，梶田竜助，郭星宇，大谷純己，後藤恵介，塚本亘，野口哲夫，久津間哲人，中井隆裕，松井三四郎，山形周平，打田正樹，前川孝
  • Organizer: プラズマ・核融合学会第35回年会
• [Presentation] 電子バーンスタイン波加熱・電流駆動による無誘導球状トカマク立ち上げ時の中性ガス流入量の制御 (2018)
  • Author(s): 大谷純己，久津間哲人，野澤嘉孝，梶田竜助，後藤恵介，塚本亘，野口哲夫， 中井隆裕，松井三四郎，山形周平，打田正樹，田中仁，前川孝
  • Organizer: プラズマ・核融合学会第35回年会
• [Presentation] 電子バーンスタイン波加熱・電流駆動による無誘導球状トカマク立ち上げを阻害する不安定性の様相 (2018)
  • Author(s): 後藤恵介，梶田竜助，野澤嘉孝，郭星宇，大谷純己，塚本亘，野口哲夫，久津間哲人，中井隆裕，松井三四郎，山形周平，打田正樹，田中仁，前川孝
  • Organizer: プラズマ・核融合学会第35回年会
• [Presentation] LATE 球状トカマクの無誘導 ECH/ECCD 立ち上げにおける HIBP による静電ポテンシャル分布と揺動の計測 (2018)
  • Author(s): 塚本亘，松井三四郎，野澤嘉孝，梶田竜助，大谷純己，後藤恵介，野口哲夫，久津間哲人，中井隆裕，山形周平，打田正樹，田中仁，前川孝
  • Organizer: プラズマ・核融合学会第35回年会
• [Presentation] 電子バーンスタイン波加熱・電流駆動による無誘導球状トカマク立ち上げ時の高速電子損失と熱流損失 (2018)
  • Author(s): 野口哲夫，中井隆裕，野澤嘉孝，梶田竜助，大谷純己, 後藤恵介，塚本亘， 久津間哲人，松井三四郎，山形周平，打田正樹，田中仁，前川孝
  • Organizer: プラズマ・核融合学会第35回年会
• [Presentation] LATE装置における２周波数（2.45/5GHz）のマイクロ波を用いた電子バーンスタイン波加熱・電流駆動 (2018)
  • Author(s): 野澤嘉孝，梶田竜助，郭星宇，大谷純己，後藤恵介，塚本亘，野口哲夫，中井隆裕，松井三四郎，山形周平，久津間哲人，打田正樹，田中仁，前川孝
  • Organizer: 日本物理学会第74回年次大会
• [Presentation] 無誘導ECH/ECCDで立ち上げたオーバーデンス球状トカマクプラズマにおける間欠的プラズマ噴出現象 (2018)
  • Author(s): 梶田竜助，後藤恵介，野澤嘉孝，郭星宇，大谷純己，塚本亘，野口哲夫，久津間哲人，中井隆裕，松井三四郎，山形周平，打田正樹，田中仁，前川孝
  • Organizer: 日本物理学会第74回年次大会
• [Remarks] エネルギー科学研究科 プラズマ物性物理学
  • URL: http://plasma47.energy.kyoto-u.ac.jp/index.html