局所ヘリシティ入射法によるプラズマ立ち上げ時の自己組織化過程の解明

Research Project

Project/Area Number	22K20358
Research Category	Grant-in-Aid for Research Activity Start-up
Allocation Type	Multi-year Fund
Review Section	0202:Condensed matter physics, plasma science, nuclear engineering, earth resources engineering, energy engineering, and related fields
Research Institution	Kyushu University
Principal Investigator	西澤敬之九州大学, 応用力学研究所, 助教 (00955007)
Project Period (FY)	2022-08-31 – 2024-03-31
Project Status	Granted (Fiscal Year 2022)
Budget Amount *help	¥2,730,000 (Direct Cost: ¥2,100,000、Indirect Cost: ¥630,000) Fiscal Year 2023: ¥1,300,000 (Direct Cost: ¥1,000,000、Indirect Cost: ¥300,000) Fiscal Year 2022: ¥1,430,000 (Direct Cost: ¥1,100,000、Indirect Cost: ¥330,000)
Keywords	トカマク / 自己組織化 / トモグラフィー
Outline of Research at the Start	LH入射法(局所ヘリシティ入射法)によるプラズマの立ち上げは核融合炉の経済性を高め、商業利用の実現に大きく貢献すると考えられている。LH入射法の有効性は小型のプラズマ閉じ込め装置において実証されてきたが商業用核融合炉に応用するためにはさらなる高性能化を目指す必要がある。本研究ではLH入射法によりプラズマが生成される際のプラズマの温度、密度等のプロファイルを精密計測することでプラズマ立ち上げ時の物理過程の解明を行い、LH入射の高性能化への指針を示す。
Outline of Annual Research Achievements	局所ヘリシティ入射用プラズマ銃をPLATOトカマク内に設置しプラズマの入射実験を行った。直流安定化電源および<1.2mFのコンデンサを用いたテストによりプラズマ銃の内部や側面でアーク放電が生じるケースが確認され、絶縁が不十分であることが分かった。現在プラズマ銃の改良を行なっている。一方、磁場をかけた状態でプラズマが約1msの間、直線状に噴き出すことが高速カメラの映像により確認され、この間で320Vまで充電された1.2mFのコンデンサがほぼ完全に放電した。プラズマ銃の絶縁が十分であることが確認された後は既にダミーロードでテスト済みの愛知電気製の1kAを10ms以上維持できる大型電源を用いる予定である。1kAの電流を磁力線に流せば自己組織化を起こすのに十分な磁気ヘリシティが入射できると期待される。計測用のトモグラフィシステムの準備も進めており、令和5年夏頃にPLATO装置にインストールする予定である。こちらは九州大学および核融合研の他の研究者と共同で行なっている。まずはHαの計測を行う予定である。プラズマ銃から噴き出るプラズマの輝度は予想より高く、3kHzでサンプリングしている高速カメラのCCDの一部が飽和することが確認された。10kHzを超す高い時間分解能でトモグラフィー計測を行うことができると考えられる。またトモグラフィ計測用に用いることを検討していたガウス過程を用いた反転アルゴリズムを応用することで干渉計のデータから電子密度プロファイル、およびその微分量を推定する手法を開発した。この手法を用いて核融合研LHD装置のデータの解析を行った。この内容をまとめた論文は現在Scientific Reports誌に投稿中である。
Current Status of Research Progress	Current Status of Research Progress 2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned. Reason 研究開始後半年間でプラズマ銃から磁力線に沿ってプラズマを放出されることに成功した。計測用のトモグラフィーシステムはまだ設置準備の段階であるが、解析用アルゴリズムを他の計測器に応用することで論文を１編執筆し、投稿することができた。
Strategy for Future Research Activity	テスト用の<1.2mFのコンデンサバンクから電流制御可能な大型電源(<1kA)に切り替えてヘリシティ入射実験を行い自己組織化により閉じた磁気面を生成する。ヘリシティ入射直後のMHDjet, その後に励起されるkink不安定性,reconnection時の揺動などのヘリシティ入射に関わる物理現象の精密計測を行う。トモグラフィシステムの開発は当初の予定より遅れているため、HIBPやプローブ計測の利用することを検討する。