| Project/Area Number |
19H01875
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| Research Category |
Grant-in-Aid for Scientific Research (B)
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| Allocation Type | Single-year Grants |
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| Section | 一般 |
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| Review Section |
Basic Section 14020:Nuclear fusion-related
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| Research Institution | Kyoto University |
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Principal Investigator |
小林 進二 京都大学, エネルギー理工学研究所, 准教授 (70346055)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
大島 慎介 京都大学, エネルギー理工学研究所, 助教 (00469610)
鈴木 康浩 広島大学, 先進理工系科学研究科(工), 教授 (20397558)
仲田 資季 核融合科学研究所, ヘリカル研究部, 准教授 (40709440)
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| Project Period (FY) |
2019-04-01 – 2024-03-31
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| Project Status |
Granted (Fiscal Year 2023)
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| Budget Amount *help |
¥16,250,000 (Direct Cost: ¥12,500,000、Indirect Cost: ¥3,750,000)
Fiscal Year 2023: ¥1,040,000 (Direct Cost: ¥800,000、Indirect Cost: ¥240,000)
Fiscal Year 2022: ¥1,040,000 (Direct Cost: ¥800,000、Indirect Cost: ¥240,000)
Fiscal Year 2021: ¥1,950,000 (Direct Cost: ¥1,500,000、Indirect Cost: ¥450,000)
Fiscal Year 2020: ¥5,590,000 (Direct Cost: ¥4,300,000、Indirect Cost: ¥1,290,000)
Fiscal Year 2019: ¥6,630,000 (Direct Cost: ¥5,100,000、Indirect Cost: ¥1,530,000)
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| Keywords | 先進ヘリカル配位 / ベータ効果 / 熱輸送 / 高ベータプラズマ / 高ベータプラズマ生成 / 熱・乱流輸送 / 磁場閉じ込め核融合 / ビーム放射分光 / 乱流揺動計測 / ポロイダル流速 |
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| Outline of Research at the Start |
先進ヘリカル配位はプラズマ圧力の上昇にともなう反磁性効果・シャフラノフシフトによる平衡の変化をあらかじめ予測し、目標とするベータ値のプラズマにおいて輸送の改善・配位対称性の向上（ベータ効果）を期待して配位設計されている。本研究では、先進ヘリカル配位におけるベータ効果を実験的に検証することを目的として、１．高ベータプラズマ生成のための粒子補給法の検討、２．プラズマベータがエネルギー閉じ込め・熱輸送とMHD平衡に与える影響の解明、新古典輸送・乱流輸送シミュレーションとの比較、３．プラズマベータとポロイダルフローとの相関の検証、を行う事を計画する。
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究課題では、先進ヘリカル配位におけるベータ効果を実験的に検証する事を目的とする。本年度は(1)粒子補給法の最適化と輸送改善との関連性の調査、(2)高ベータプラズマ生成に向けた新しいプラズマ着火手法の物理の理解、について進展が得られた。以下にそれぞれの概要を記す。
(1)ヘリカル型プラズマ閉じ込め装置ヘリオトロンJにおいて、高強度ガスパフ（HIGP）法を適用し高密度プラズマを生成すると、HIGPの供給量によっては中心部の電子温度が尖塔化し、通常のガスパフ（GP）法と比べて中心部電子温度の高いプラズマが生成できる事がわかった。このとき、電子密度分布には大きな違いが無く、イオン温度はHIGP法が若干高かった。このプラズマにおいてNBI吸収パワー分布解析に基づく熱輸送解析を適用したところ、HIGP法の場合に熱輸送係数がGP法と比べて、プラズマ中心部で数分の１に低下していることがわかった。このときAXUV強度分布、Halpha発光強度分布を調べると、周辺部の放射損失および水素リサイクリングが低減されていることが確認でき、本手法が周辺プラズマの制御に役立つことが明らかになった。これは本課題で考案した粒子供給法の有効性を示している。
(2)本研究課題で考案された新しいプラズマ着火手法では、電子サイクロトロン共鳴のない条件でも2.45HGzマイクロ波の入射により、通常の密度上限を越えるプラズマ生成が可能である事がわかっている。今年度は国際共同研究の元、このプラズマの基礎特性の理解が進展した。具体的に生成過程が3段階のプロセスを持つこと、電子密度の時間発展の特性が明らかになったこと、および入射パワーを調整することでより高い密度が得られることを見いだした。
上記成果は国際学会・国内学会（2件の招待講演を含む）および学術誌等において発表した。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
磁場閉じ込め型の核融合プラズマでは経済性の観点から磁気圧力に対するプラズマ圧力の比（ベータ値）を高くした、高ベータプラズマでの運転が望ましい。一方でベータ値の上昇に伴って閉じ込めの劣化・不安定性の発現が予想されており、その対策が求められている。先進ヘリカル配位はベータ値の上昇にともなう反磁性効果・シャフラノフシフトによる平衡の変化をあらかじめ予測し、目標とするベータ値のプラズマにおいて輸送の改善・配位対称性の向上（ベータ効果）を期待して配位設計されている。本研究課題ではこのベータ効果を実験的に検証すること目的とするが、そのためにはいくつかの課題解決が必要である。具体的に、高ベータプラズマ生成に関しては(1)広い磁場強度スキャンを可能とするプラズマ着火法の開発、(2)高密度プラズマ生成のための加熱・粒子補給スキームの確立、輸送特性解明のためには、(3)熱・粒子輸送を開明するための分布計測に基づく輸送解析手法の確立、および(4)輸送改善と径電場および乱流輸送との関連性の解明、が挙げられる。
(1)および(2)に関しては非共鳴マイクロ波入射を利用したプラズマ着火手法の開発と内在する物理の理解を進め、これに中性粒子ビーム入射加熱(NBI)を接続することで、0.6～1.4Tの広い磁場強度範囲での高密度プラズマに成功した。加えて高強度ガスパフ法（HIGP）を適用することで高密度プラズマ生成にも成功している。(3)に関しては、NBI吸収パワー分布解析に基づく熱輸送係数の評価を進め、HIGP導入量を調整した場合に、電子熱輸送の改善が見られる放電が得られた。一方で(4)に関しては、R4年度の実験においてビーム放射分光用のNBI装置がトラブルで入射が不可能になったためデータ取得ができなかった。実験キャンペーン後の定期点検期間中に故障機器を修理し、次期実験にてデータ取得を目指す予定である。
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| Strategy for Future Research Activity |
今後の課題解決のためには、(1)乱流揺動計測を目指したビーム放射分光計測の継続、(2) 高ベータプラズマ生成実験、および(3)高ベータプラズマの輸送特性解明を計画する。
具体的に(1)に関して、現在まで整備したプラズマ周辺部密度揺動計測用のビーム放射分光計測を進め、高周波密度揺動に対するエンベロープ解析・二点相関解析等を適用し、乱流揺動の特徴を理解する。
(2)高ベータプラズマ生成実験および輸送特性を理解するための基礎データ取得に関しては、以下を計画する。プラズマの高ベータ化に向けた運転シナリオ構築には、加熱・粒子補給制御、リサイクリング制御が重要となる。NBI加熱に高密度プラズマが得られている高強度ガスパフ法(HIGP)を用いて高密度プラズマ・高ベータプラズマ生成を目指す。同時にR4年度に不具合のあったNBIを復帰し、ビーム放射分光による密度揺動計測、および荷電交換再結合分光による径電場計測を通じて高ベータプラズマの輸送特性を調べる。
(3)輸送特性解明には熱・粒子輸送解析、新古典輸送解析ツールのヘリオトロンJへの適用が重要になる。本研究課題以外の共同研究（国内・国際）の枠組みを活用し、解析ツールのヘリオトロンＪへの適用を進める。これらのツールの整備を通じて高ベータプラズマの輸送特性を実験的・理論的に進め、ベータ効果と輸送改善の実験的検証を行う。
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