Control of Energetic-Particle-Driven MHD Instabilities by External Actuators

• Project/Area Number: 22H00117
• 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: 長崎 百伸 京都大学, エネルギー理工学研究所, 教授 (20237506)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 永岡 賢一 核融合科学研究所, 研究部, 教授 (20353443) ; 桑原 大介 中部大学, 理工学部, 准教授 (60645688) ; 小林 進二 京都大学, エネルギー理工学研究所, 准教授 (70346055)
• Project Period (FY): 2022-04-01 – 2026-03-31
• Project Status: Granted (Fiscal Year 2024)
• Budget Amount: ¥36,270,000 (Direct Cost: ¥27,900,000、Indirect Cost: ¥8,370,000); Fiscal Year 2024: ¥6,370,000 (Direct Cost: ¥4,900,000、Indirect Cost: ¥1,470,000); Fiscal Year 2023: ¥7,410,000 (Direct Cost: ¥5,700,000、Indirect Cost: ¥1,710,000); Fiscal Year 2022: ¥16,510,000 (Direct Cost: ¥12,700,000、Indirect Cost: ¥3,810,000)
• Keywords: 高エネルギー粒子 / MHD不安定性 / ECH/ECCD / 閉じ込め磁場配位

Outline of Research at the Start

磁場閉じ込め核融合プラズマにおいて、アルファ粒子や中性粒子ビームといった高エネルギー粒子（energetic particle, EP）を良好に閉じ込めることは、加熱効率を向上させ、高性能炉心プラズマの生成・維持するために重要な課題である。本研究では、電子サイクロトロン共鳴加熱・電流駆動（ECH/ECCD）や回転変換などの磁場配位パラメタといった外部制御が可能なアクチュエータを組み合わせることでEP励起MHD不安定性の制御手法を開発する。複数のアクチュエータによって励起・減衰の物理機構を明らかにするとともに、EPが駆動する測地線音波モード（EGAM）によるバルクイオンの直接加熱を試みる。

Outline of Annual Research Achievements

磁場閉じ込め核融合プラズマにおいて、核融合反応によって生成されるアルファ粒子や加熱用中性粒子ビームといった高エネルギー粒子（energetic particle, EP）を良好に閉じ込めることは、加熱効率を向上させ、高性能炉心プラズマの生成・維持するために重要な課題である。本研究では、炉心プラズマ閉じ込めの劣化やプラズマ対向壁の損傷を引き起こすEP励起MHD不安定性を克服するため、電子サイクロトロン共鳴加熱・電流駆動(ECH/ECCD）や回転変換などの磁場配位パラメタといった外部制御が可能なアクチュエータを組み合わせることで大型実験装置や原型炉に外挿可能なEP励起MHD不安定性の制御手法を開発する。また、複数のアクチュエータによってEP励起MHD不安定性の励起・減衰の物理機構を明らかにし、EPが駆動する測地線音波モード（EGAM）によるバルクイオンの直接加熱を試みる。
EP励起MHD不安定性の励起・減衰の物理過程を理解するためには、AEの空間構造を実験的に求めることが重要となる。今年度は、AEの空間構造の特性に合わせた局所揺動計測システムを開発した。巨視的アルヴェン固有モード（GAE）、ベータ駆動アルヴェン固有モード（BAE）といったAEはコアプラズマの広い領域にわたり励起されため、それらのモード計測のためにコアプラズマ領域の局所的な揺動計測が可能なECEラジオメータを開発した。また、高エネルギー粒子モード（EPM）はプラズマ周辺領域に局在的に励起されるため、周辺領域での空間構造計測に適しているマイクロ波反射計システムを開発した。

Current Status of Research Progress

2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.

Reason

EP励起MHD不安定性の励起・減衰の物理過程を理解するためには、AEの空間構造を実験的に求めることが重要となる。巨視的アルヴェン固有モード（GAE）、ベータ駆動アルヴェン固有モード（BAE）といったモード計測のために局所的な揺動計測が可能なECEラジオメータ、及び、マイクロ波反射計システムを開発する必要がある。今年度はこれらの計測システムの開発を行なった。ECEラジオメータについては、32チャンネルの狭帯域バンドパスフィルタ（0.5GHz）等を新たに構築できた。今後、フロントエンドとの組み合わせでラジオメータ全体のシステム試験を行う。反射計システムについては、周波数をステップ的にスキャンすることにより１ショットで周辺領域の径方向分布が計測可能なシステムを開発した。周波数帯域はO-band（24-40GHz）周波数帯域を選択することで、周辺領域をカバーすることが可能である。
計測システムの開発はおおむね順調に進展しており、令和5年度はこれらのシステムの全体試験を行うとともに、プラズマ実験への適用を進める。

Strategy for Future Research Activity

Heliotron J装置のシアーアルヴェンスペクトルは径方向に平坦であるため、コア領域で励起されるAEはGAEが主たるモードであり、周辺領域ではEPMであるが、磁気シア制御によりトカマクで主要なモードであるトロイダルアルヴェン固有モード（TAE）も励起される。プラズマ中心での磁場強度、プラズマ体積、磁気井戸を一定に保ちながら、回転変換と0.4から0.6まで変化させる等、シアーアルヴェンスペクトルを変化させ、励起されるAEの制御を行う。開発したECEラジオメータ、マイクロ波反射計システムを用いて、AEの径方向構造を計測するとともに、磁気プローブアレイを用いてトロイダルモード数、ポロイダルモード数を求める。第2高調波70GHz ECH/ECCD（400kW）と外部コイルによる磁場配位を組み合わせることによって、EP圧力分布、連続減衰、磁気シア、ランダウ減衰の各項の効果を切り分ける。Heliotron Jと磁場配位が異なるLHD装置、TJ-II装置、等で取得されたデータベースと比較し、連続減衰、磁気シア、ランダウ減衰の効果を明確化する。
EP励起MHD不安定性の制御実験を行うとともに、実験によって得られたモード周波数・モード数及び径方向分布の特性に関する理論解析を進める。3次元磁場配位を考慮にいれたFAR3dコード等を用いたAE解析を行い、EP圧力、バルク圧力、回転変換依存性に関する実験結果と理論解析結果との比較を行う。大型装置や原型炉で予想されるプラズマパラメタを用いた理論解析を行い、本研究で開発した磁場配位、ECH/ECCDを用いた制御手法の外挿性を探る。
自己燃焼維持のためにはイオンが加熱される必要があるため、その手法としてEP励起不安定性のひとつであるEGAMを用いて直接イオン加熱することを試みる。

Research Products

• [Int'l Joint Research] Max Planck Institute for Plasma Physics(ドイツ)
• [Int'l Joint Research] CIEMAT/Carlos III University(スペイン)
• [Int'l Joint Research] Kharkiv Inst. Science and Technology(ウクライナ)
• [Journal Article] Design of a dual scattering angle multi-pass Thomson scattering system with signal separation function on Heliotron J (2023)
  • Author(s): Dechuan Qiu, Takashi Minami, Shinichiro Kado, Ryo Matsutani, Yusuke Toba, Naoki Kenmochi, Chihiro Takahashi, Chenyu Wang, Maoyuan Luo, Pengfei Zhang, Shinsuke Ohshima, Shinji Kobayashi, Hiroyuki Okada, Tohru Mizuuchi, Shigeru Konoshima, Ryo Yasuhara, Shigeru Inagaki, and Kazunobu Nagasaki
  • Journal Title: Review of Scientific Instruments Volume: 94 Issue: 1 Pages: 013503-013503
  • DOI: 10.1063/5.0108664
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Analysis of the ECH effect on EPM/AE stability in Heliotron J plasma using a Landau closure model (2023)
  • Author(s): J. Varela, K. Nagasaki, S. Kobayashi, K. Nagaoka, P. Adulsiriswad, A. Cappa, S. Yamamoto, K.Y. Watanabe, D.A. Spong, Garcia, Y. Ghai and J. Ortiz
  • Journal Title: Nuclear Fusion Volume: 63 Issue: 2 Pages: 026009-026009
  • DOI: 10.1088/1741-4326/aca98e
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Electron cyclotron heating assisted start-up experiments in J-TEXT (2023)
  • Author(s): Junli Zhang, Peter C de Vries, Kazunobu Nagasaki, Donghui Xia, Wei Jiang, Zhoujun Yang, Zhifeng Cheng, Xin Xu, Zhijiang Wang, Nengchao Wang, Li Gao, Yonghua Ding, Zhipeng Chen, Zhongyong Chen, and Yuan Pan and J-TEXT team
  • Journal Title: EPJ Web of Conferences Volume: 277 Pages: 02002-02002
  • DOI: 10.1051/epjconf/202327702002
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Non-resonant Microwave Discharge Start-Up in Heliotron J (2023)
  • Author(s): Yu.V. Kovtun, K. Nagasaki, S. Kobayashi, T. Minami, S. Kado, S. Ohshima, Y. Nakamura, A. Ishizawa, S. Konoshima, T. Mizuuchi, H. Okada, H. Laqua, T. Stange
  • Journal Title: Problems of Atomic Science and Technology Volume: 1 Pages: 143-143
  • DOI: 10.46813/2023-143-003
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Development of dual X-mode Doppler reflectometry system in Heliotron J (2022)
  • Author(s): Kondo Y.、Ohshima S.、Kuwahara D.、Inoshita K.、Fukuda T.、Minami T.、Kado S.、Kobayashi S.、Konoshima S.、Mizuuchi T.、Okada H.、Tomita T.、Nagasaki K.
  • Journal Title: Journal of Instrumentation Volume: 17 Issue: 05 Pages: C05023-C05023
  • DOI: 10.1088/1748-0221/17/05/c05023
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Three-dimensional dynamics of fluctuations appearing during pellet ablation process around a pellet in a fusion plasma experiment (2022)
  • Author(s): Ohshima S.、Suzuki T.、Matoike R.、Motojima G.、Kado S.、Mori A.、Miyashita A.、Kobayashi S.、Minami T.、Iwata A.、Qiu D.、Wang C.、Luo M.、Zhang P.、Kondo Y.、Nishino N.、Mizuuchi T.、Okada H.、Konoshima S.、Inagaki S.、Nagasaki K.
  • Journal Title: Scientific Reports Volume: 12 Issue: 1 Pages: 14204-14204
  • DOI: 10.1038/s41598-022-18239-z
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Spatially resolved measurement of helium atom emission line spectrum in scrape-off layer of Heliotron J by near-infrared Stokes spectropolarimetry (2022)
  • Author(s): Tomoki Chatani, Taiichi Shikama, Yohei Ueno, Shinichiro Kado, Hayato Kawazome, Takashi Minami, Ryota Matoike, Minato Murakumo, Shinji Kobayashi, Shinsuke Ohshima, Akihiro Iwata, Tetsutaro Oishi, Akihiro Ishizawa, Yuji Nakamura, Hiroyuki Okada, Shigeru Konoshima, Tohru Mizuuchi, Kazunobu Nagasaki, Masahiro Hasuo
  • Journal Title: Scientific Reports Volume: 12 Issue: 1 Pages: 15567-15567
  • DOI: 10.1038/s41598-022-19747-8
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Development and initial results of 320?GHz interferometer system in Heliotron J (2022)
  • Author(s): Zhang P.、Ohshima S.、Zhao H.、Deng C.、Kobayashi S.、Kado S.、Minami T.、Matoike R.、Miyashita A.、Iwata A.、Kondo Y.、Qiu D.、Wang C.、Luo M.、Konoshima S.、Inagaki S.、Okada H.、Mizuuchi T.、Nagasaki K.
  • Journal Title: Review of Scientific Instruments Volume: 93 Issue: 11 Pages: 113519-113519
  • DOI: 10.1063/5.0101808
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Presentation] Control of energetic-particle-driven MHD instabilities by external actuators in Heliotron J and LHD (2022)
  • Author(s): K. Nagasaki, et al.
  • Organizer: 23rd International Stellarator-Heliotron Workshop
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Control of 3-D Magnetic Configuration for Confinement and Transport in Heliotron J (2022)
  • Author(s): K. Nagasaki, et al.
  • Organizer: 20th International Congress on Plasma Physics
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Hybrid simulation of linear and nonlinear dynamics of energetic particle driven magnetohydrodynamic instabilities in Heliotron J (2022)
  • Author(s): P. Adulsiriswad, et al.
  • Organizer: 23rd International Stellarator-Heliotron Workshop
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Effect of 3D magnetic field on confinement and transport in Heliotron J (2022)
  • Author(s): S. Kobayashi, et al.
  • Organizer: 23rd International Stellarator-Heliotron Workshop
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] 3次元磁場配位におけるプラズマ閉じ込め・輸送研究 (2022)
  • Author(s): 長﨑百伸、他
  • Organizer: プラズマ・核融合学会九州・沖縄・山口支部大会
  • Invited
• [Presentation] Initial result of the new 320 GHz interferometer system on Heliotron J (2022)
  • Author(s): P. Zhang, S. Ohshima, H. Zhao, S. Kobayashi, S. Kado, T. Minami, R. Matoike, A. Miyashita, A. Iwata, D. Qiu, C. Wang , M.Luo , S. Konoshima, H. Okada, T. Mizuuchi, K. Nagasaki
  • Organizer: 第14回核融合エネルギー連合講演会
• [Presentation] ヘリオトロン J におけるレーザーパルス遅延機構を有する マルチパストムソン散乱計測装置による 非等方速度分布現象の研究の初期結果 (2022)
  • Author(s): 邱德川、南貴司、門信一郎、松谷遼、戸羽佑輔、釼持尚輝、大島慎介、小林進二、王晨宇、羅;茂源、張飛朋、岡田浩之、水内亨、木島滋、安原亮、稲垣滋、長崎百伸
  • Organizer: 第14回核融合エネルギー連合講演会
• [Presentation] ヘリオトロン J の EUV 分光システムに おける空間分布再構成法の評価 (2022)
  • Author(s): 馮超、門信一郎、南貴司、大島慎介、稲垣滋、小林進二、石澤明宏、中村祐司、岡田浩之、木島滋、水内亨、長﨑百伸、岩田晃拓
  • Organizer: 第14回核融合エネルギー連合講演会
• [Presentation] 上部入射と非線形効果を利用した 核融合原型炉におけるECCD電流駆動効率の改善 (2022)
  • Author(s): 清野智大，高橋宏幸，飛田健次，福山淳，長﨑百伸，前川孝，柳原洸太
  • Organizer: 第14回核融合エネルギー連合講演会
• [Presentation] LHDとHeliotron Jにおける光渦を用いた新しい電子サイクロトロン加熱実験に向けた伝送系の開発 (2022)
  • Author(s): 辻村亨、久保 伸、長﨑百伸、後藤勇樹、釼持尚輝、小田靖久、竹内俊貴、小林策治、坂本欣三、岡田光司、清水貴史、伊藤 哲、吉村泰夫、西浦正樹、水野嘉識、矢内亮
  • Organizer: 第39回 プラズマ・核融合学会年会
• [Presentation] Heat transport Analysis Based on Ion Temperature Profile in High Intense Gas Puffing Experiment on Heliotron J (2022)
  • Author(s): CY Wang, S.Kobayashi, K.Nagasaki, DC.Qiu, MY.Luo, PF.Zhang, K.Y.Watanabe, R.Seki, R.Matoike, A.Miyashita, Y.Kondo, K.Inoshita, S.Inagaki, T.Minami, S.Kado
  • Organizer: 第39回 プラズマ・核融合学会年会
• [Presentation] ヘリオトロンJ配位制御性を活用した回転変換制御実験 (2022)
  • Author(s): 大島慎介、小林進二、的池遼太、宮下 顕、近藤恭斗、井下 圭、D.Qiu、松谷 遼、南 貴司、門信一郎、P.Zhang、稲垣 滋、岡田浩之、水内 亨、木島 滋、長崎百伸
  • Organizer: 第39回 プラズマ・核融合学会年会
• [Presentation] ヘリオトロンJにおける再構成されたEUVスペクトル空間分布の時間変化 (2022)
  • Author(s): 馮 超、門信一郎、岩田晃拓、南 貴司、大島慎介、稲垣 滋、小林進二、石澤明宏、中村祐司、岡田浩之、木島 滋、水内 亨、長﨑百伸
  • Organizer: 第39回 プラズマ・核融合学会年会
• [Presentation] 小型ダミーロードのパワー計測における周波数・ビームプロファイルの影響の研究 (2022)
  • Author(s): 辻政裕、小田靖久、假家 強、南龍太郎、長﨑百伸、坂本欣三
  • Organizer: 第39回 プラズマ・核融合学会年会
• [Presentation] Quasi-optical design of a multi-channel 320GHz interferometer (2022)
  • Author(s): H.Zhao, S.Ohshima, P.Zhang, S.Kobayashi, S.Kado, T.Minami, A.Miyashita, A.Iwata, Y.Kondo, D.Qiu, C.Wang, M.Luo, S.Konoshima, S.Inagaki, H.Okada, T.Mizuuchi,
  • Organizer: 第39回 プラズマ・核融合学会年会
• [Presentation] ロトカ・ヴォルテラ方程式を観測データから発見する (2022)
  • Author(s): 稲垣 滋、岩中義英、小林進二、南 貴司、門信一郎、大島慎介、木島 滋、岡田浩之、水内 亨、長﨑百伸
  • Organizer: 第39回 プラズマ・核融合学会年会
• [Presentation] 原型炉における電子サイクロトロン加熱電流駆動システムの物理工学検討の現状 (2022)
  • Author(s): 小田靖久、長﨑百伸、福山 淳、前川 孝、出射 浩、柳原洸太、相羽信行、池田亮介、梶原 健、久保 伸、飛田健次、清野智大、宇藤裕康、坂本宜照
  • Organizer: 第39回 プラズマ・核融合学会年会
• [Presentation] ヘリオトロンＪ装置におけるレーザーパルス遅延機構を有するマルチパストムソン散乱計測装置による非等方電子速度分布計測 (2022)
  • Author(s): Qiu Dechuan、松谷遼、戸羽佑輔、釼持尚輝、安原亮、門 信一郎、岡田浩之、小林進二、大島慎介、木島 滋、水内 亨、稲垣 滋、長﨑百伸
  • Organizer: 第39回 プラズマ・核融合学会年会
• [Presentation] Construction and initial result of the 320 GHz interferometer system in Heliotron J (2022)
  • Author(s): P.Zhang, S.Ohshima, H.Zhao, S.Kobayashi, S.Kado, T.Minami, F.Kin, A.Miyashita, A.Iwata, Y.Kondo, D.Qiu, C.Wang, M.Luo, S.Konoshima, S.Inaga, H.Okada, T.Mizuuchi, K.Nagasaki
  • Organizer: 第39回 プラズマ・核融合学会年会
• [Presentation] ヘリオトロンJにおける非共鳴マイクロ波加熱プラズマ中の高エネルギーX線スペクトル解析 (2022)
  • Author(s): 伊藤龍志、小林進二、永岡賢一、長﨑百伸、大垣英明、紀井俊輝、全 炳俊、稲垣 滋、岡田浩之、南 貴司、門信一郎、大島慎介、水内 享、木島 滋
  • Organizer: 第39回 プラズマ・核融合学会年会
• [Presentation] 磁場閉じ込め実験装置ヘリオトロンJで観測された統計加速の特徴 (2022)
  • Author(s): 小林進二、永岡賢一、長崎百伸、稲垣滋、伊藤龍志、大垣英明、紀井俊輝、全炳俊、藤田智大、山戸瞭雅、岡田浩之、大島慎介、門信一郎、南貴司、木島滋、水内亨
  • Organizer: 第39回 プラズマ・核融合学会年会
• [Presentation] ヘリオトロンJにおけるドップラー反射計を用いた周辺磁気島領域の径電場分布計測 (2022)
  • Author(s): 近藤恭斗、大島慎介、桑原大介、井下 圭、南 貴司、門 信一郎、小林進二、木島 滋、水内 亨、岡田浩之、稲垣 滋、金 史良、長﨑百伸
  • Organizer: 第39回 プラズマ・核融合学会年会
• [Presentation] ヘリオトロンJ周辺部磁気島領域の径電場分布計測 (2022)
  • Author(s): 宮下 顕、大島慎介、的池遼太、鈴木琢土、小林進二、門 信一郎、南 貴司、水内 亨、木島 滋、岡田浩之、稲垣 滋、長﨑百伸
  • Organizer: 第39回 プラズマ・核融合学会年会
• [Presentation] 発光信号トモグラフィーによる規格化電子温度・電子密度揺動推定 (2022)
  • Author(s): 戸羽佑輔、南 貴司、安原 亮、釼持尚輝、邱 德川、松谷 遼、寺田 凱、高橋千尋、金 史良、門 信一郎、大島慎介、小林進二、木島 滋、稲垣 滋、長﨑百伸
  • Organizer: 第39回 プラズマ・核融合学会年会