Reduction of heat load on divertor by turbulence and transport

• Project/Area Number: 23K20838
• Project/Area Number (Other): 21H01066 (2021-2023)
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research (B)
• Allocation Type: Multi-year Fund (2024); Single-year Grants (2021-2023)
• Section: 一般
• Review Section: Basic Section 14020:Nuclear fusion-related
• Research Institution: Kyushu University
• Principal Investigator: 小菅 佑輔 九州大学, 応用力学研究所, 准教授 (00700296)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 永島 芳彦 九州大学, 応用力学研究所, 准教授 (90390632)
• Project Period (FY): 2024-04-01 – 2026-03-31
• Project Status: Granted (Fiscal Year 2024)
• Budget Amount: ¥17,160,000 (Direct Cost: ¥13,200,000、Indirect Cost: ¥3,960,000); Fiscal Year 2025: ¥2,990,000 (Direct Cost: ¥2,300,000、Indirect Cost: ¥690,000); Fiscal Year 2024: ¥2,600,000 (Direct Cost: ¥2,000,000、Indirect Cost: ¥600,000); Fiscal Year 2023: ¥3,770,000 (Direct Cost: ¥2,900,000、Indirect Cost: ¥870,000); Fiscal Year 2022: ¥4,810,000 (Direct Cost: ¥3,700,000、Indirect Cost: ¥1,110,000); Fiscal Year 2021: ¥2,990,000 (Direct Cost: ¥2,300,000、Indirect Cost: ¥690,000)
• Keywords: 核融合 / 乱流輸送 / 熱負荷 / 乱流プラズマ / ダイバータ / 輸送 / 核融合プラズマ / 乱流 / 熱負荷制御 / SOL / スクレイプオフ層 / 輸送モデリング

Outline of Research at the Start

核融合エネルギーの実現に向けた研究において、核融合プラズマから放出される熱エネルギーは最終的にダイバーターと呼ばれる構造物へと放出され、この熱負荷を低減することは核融合の成否を握る重要課題である。本研究では、この熱負荷軽減に、プラズマに励起される乱流を駆使して挑戦している。理論モデルの構築と基礎実験による検証を両輪とし、この難問に挑戦するものである。

Outline of Annual Research Achievements

本研究では、乱流輸送によりスクレイプオフ層(SOL)の厚みを制御できるのか、という問いに挑戦する。そのためには、核融合の周辺領域に励起されうる乱流の種類やその輸送特性を把握することが必要となる。理論モデルを構築し揺動や輸送特性の分類を進め、実験データ解析による検証を進めている。

今年度の研究では、昨年度までに開発を進めた核融合の周辺プラズマの乱流を記述するモデルの改良および解析を進め、揺動や輸送の動的振る舞いに関する知見を得た。緩和の結果駆動源が閾値付近に止まる場合に着目し、少数自由度モデルに基づき、カオスの発生や、乱れた時系列に対する帯状流の影響、輸送の動的振る舞いの起源を探る解析を進めた。また、実験では、PANTAプラズマに於いて新たに発見された遷移現象の解析を進めた。その遷移現象では、放電中に発光強度トモグラフィーの信号が大域的に増減を繰り返し、同時に勾配の変化を伴う。その物理機構の解明は本研究に大きく資する。遷移に伴う揺動の変化については現在解析中だが、トモグラフィーとプローブの同時計測では遷移のタイミングで急激な静電ポテンシャルの変動が見出された。

これらの成果について、プラズマ核融合学会や日本物理学会、AAPPS-DPP などの国内外の学会にて報告した。成果を論文としてまとめ、J. Phys. Soc. Japan やPlasma Phys. Control. Fusion などの学術誌に投稿した。また、日本物理学会誌において研究内容の紹介を行い、成果の積極的な発信を進めた。

Current Status of Research Progress

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

Reason

核融合周辺領域における揺動や輸送特性の調査を進め、間欠的な輸送フラックスの励起、頻度などのパラメータを数値的に評価した。ダイバータへの熱負荷を評価する上で重要となる輸送特性のうち、特に重要となる動的特性の理解と評価を進めることができた。目標達成のための重要な知見を得ることに成功したため、順調に進展していると判断した。

Strategy for Future Research Activity

今年度は本研究計画の最終年度にあたる。今年度までに得た知見（揺動の種類、励起されうる非線形構造、非線形発展に伴う動的特性など）を総合し、核融合周辺プラズマにおける乱流や輸送の評価を進める。ダイバータへの熱負荷効果の指標となるフラックスの径方向の変化長を評価し、プローブを用いた径方向多点計測をPANTAで進めモデルの妥当性の検討を進める。熱フラックスの径方向分布を取得し、その径方向変化長の制御パラメータの調査を進める予定である。

Research Products

• [Int'l Joint Research] University de Lorraine(フランス)
• [Int'l Joint Research] Culham Center for Fusion Enegry(英国)
• [Int'l Joint Research] University of California, San Diego(米国)
• [Int'l Joint Research] Seoul National University(韓国)
• [Int'l Joint Research] University de Lorraine(フランス)
• [Int'l Joint Research] University of California, San Diego(米国)
• [Journal Article] Implication of Parallel Velocity Gradient-Driven Instability with Hydrodynamic Electrons to SOL Width (2024)
  • Author(s): OYAMA Itsuki、KOSUGA Yusuke
  • Journal Title: Plasma and Fusion Research Volume: 19 Issue: 0 Pages: 1403019-1403019
  • DOI: 10.1585/pfr.19.1403019
  • ISSN: 1880-6821
  • Year and Date: 2024-05-02
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Equilibrium Flow Structure with Multiple Ion Species in Magnetically Confined Plasmas of an Arbitrary Aspect Ratio (2024)
  • Author(s): Kosuga Yusuke
  • Journal Title: Journal of the Physical Society of Japan Volume: 93 Issue: 6
  • DOI: 10.7566/jpsj.93.064501
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Breathing impure plasmas (2024)
  • Author(s): Kosuga Y、Bourgeois J、Lesur M、Oyama I
  • Journal Title: Plasma Physics and Controlled Fusion Volume: 66 Issue: 7 Pages: 075018-075018
  • DOI: 10.1088/1361-6587/ad5105
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Impurity Parallel Velocity Gradient instability (2024)
  • Author(s): Bourgeois Jeanne、Lesur Maxime、Lazaro Guillermo Cuerva、Kosuga Yusuke
  • Journal Title: Open Plasma Science Volume: Volume 1 - 2024
  • DOI: 10.46298/ops.13628
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Mass dependency of high-wavenumber turbulence in a linear partially magnetized plasma (2024)
  • Author(s): Kawachi Yuichi、Sasaki Makoto、Nishizawa Takashi、Kosuga Yusuke、Terasaka Kenichiro、Inagaki Shigeru、Yamada Takuma、Kasuya Naohiro、Moon Chanho、Nagashima Yoshihiko、Fujisawa Akihide
  • Journal Title: Physics of Plasmas Volume: 31 Issue: 4 Pages: 1-5
  • DOI: 10.1063/5.0187997
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] A Proposal to Evaluate Electron Temperature and Electron Density Fluctuations Using Dual Wavelength Emission Intensity Tomography in a Linear Plasma (2023)
  • Author(s): Nagashima Yoshihiko、Fujisawa Akihide、Yamasaki Kotaro、Inagaki Shigeru、Moon Chanho、Kin Fumiyoshi、Kawachi Yuichi、Arakawa Hiroyuki、Yamada Takuma、Kobayashi Tatsuya、Kasuya Naohiro、Kosuga Yusuke、Sasaki Makoto、Ido Takeshi
  • Journal Title: Journal of the Physical Society of Japan Volume: 92 Issue: 3 Pages: 033501-033501
  • DOI: 10.7566/jpsj.92.033501
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] A fate of nonlinear evolution of drift waves: Excitation of nonlinear breathers (2022)
  • Author(s): Kosuga Y.、Inagaki S.、Kawachi Y.
  • Journal Title: Physics of Plasmas Volume: 29 Issue: 12 Pages: 122301-122301
  • DOI: 10.1063/5.0122295
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Spatiotemporal dynamics of high-wavenumber turbulence in a basic laboratory plasma (2022)
  • Author(s): Kawachi Yuichi、Sasaki Makoto、Kosuga Yusuke、Terasaka Kenichiro、Nishizawa Takashi、Yamada Takuma、Kasuya Naohiro、Moon Chanho、Inagaki Shigeru
  • Journal Title: Scientific Reports Volume: 12 Issue: 1 Pages: 19799-19799
  • DOI: 10.1038/s41598-022-23559-1
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Presentation] 磁化プラズマにおける平衡流のプラズマ形状依存性 (2024)
  • Author(s): 小菅佑輔
  • Organizer: 日本物理学会第７９回大会
• [Presentation] Breathing Laboratory Plasmas (2024)
  • Author(s): Y. Kosuga
  • Organizer: AAPPS-DPP
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] イオンのダイナミクスに着目した高密度ヘリコンプラズマ生成過程 (2024)
  • Author(s): 小菅佑輔
  • Organizer: プラズマ核融合学会第４１回年会
• [Presentation] 核融合プラズマ研究の最近の動向 (2024)
  • Author(s): 小菅佑輔
  • Organizer: 応用物理学会春季学術講演会
  • Invited
• [Presentation] Breather excitation in multi-species fusion plasmas (2023)
  • Author(s): Y. Kosuga
  • Organizer: 10th Asia Pacific Transport Working Group
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 複数イオン種を含むプラズマにおけるブリーザーの励起 (2023)
  • Author(s): 小菅佑輔、J. Bourgeois, M. Lesur, 小山一輝
  • Organizer: 日本物理学会秋季大会
• [Presentation] A review of phase space turbulence: why it is important (2023)
  • Author(s): Y. Kosuga
  • Organizer: AAPPS-DPP
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Excitation of nonlinear breathers in magnetized plasmas (2022)
  • Author(s): Y. Kosuga
  • Organizer: 6th Asia Pacific Conference on Plasma Physics
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Parallel Velocity Gradient Driven Turbulence and Impurity Transport (2022)
  • Author(s): Y. Kosuga, J. Bourgeois, M. Lesur, I. Oyama
  • Organizer: プラズマ核融合学会第３９回年会
• [Presentation] ドリフトブリーザーの励起による輸送フラックスの変化 (2022)
  • Author(s): 小菅佑輔、稲垣滋、河内裕一
  • Organizer: 日本物理学会2022年秋季大会
• [Presentation] 核融合周辺プラズマのスクレイプオフ層幅に対する乱流揺動の影響 (2022)
  • Author(s): 小菅佑輔、永島芳彦、新井慎平
  • Organizer: 日本物理学会
• [Presentation] 核融合周辺(SOL)プラズマにおける密度及び温度揺動特性 (2022)
  • Author(s): 小菅佑輔、新井慎平
  • Organizer: 閉じ込め輸送研究会「プラズマの定量的予測と制御に向けたトロイダルプラズマの燃焼閉じ込め、輸送に関する研究」