高温プラズマ中の突発現象の理解に向けた乱流場のエネルギーカスケード変化の可視化
| Project/Area Number |
23K25858
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| Project/Area Number (Other) |
23H01161 (2023)
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| Research Category |
Grant-in-Aid for Scientific Research (B)
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| Allocation Type | Multi-year Fund (2024)
Single-year Grants (2023) |
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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 | National Institute for Fusion Science |
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Principal Investigator |
徳沢 季彦 核融合科学研究所, 研究部, 准教授 (90311208)
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| Project Period (FY) |
2023-04-01 – 2027-03-31
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| Project Status |
Granted (Fiscal Year 2024)
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| Budget Amount *help |
¥18,590,000 (Direct Cost: ¥14,300,000、Indirect Cost: ¥4,290,000)
Fiscal Year 2026: ¥2,600,000 (Direct Cost: ¥2,000,000、Indirect Cost: ¥600,000)
Fiscal Year 2025: ¥4,940,000 (Direct Cost: ¥3,800,000、Indirect Cost: ¥1,140,000)
Fiscal Year 2024: ¥4,550,000 (Direct Cost: ¥3,500,000、Indirect Cost: ¥1,050,000)
Fiscal Year 2023: ¥6,500,000 (Direct Cost: ¥5,000,000、Indirect Cost: ¥1,500,000)
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| Keywords | プラズマ乱流 / エネルギーカスケード / 波数スペクトル / 散乱計測 / フェーズドアレイアンテナ |
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| Outline of Research at the Start |
核融合プラズマ中の乱流の空間構造と波数空間のスケール構造を高い分解能で計測できるシステムを構築し、突発的に発生する現象、特にプラズマの閉じ込めが突然悪化した時に、エネルギーカスケード構造がどのように変化するのかを明らかにする。これにより、核融合発電炉における不安定要因であるディスラプション現象を理解する物理知見などを得る。この革新的な計測は、多周波数のミリ波発生技術と、これらを多方向へ同時に放射させる技術を組合せて実現する。これにより高温プラズマ中の散乱波数スペクトルの時空間変化を世界で初めて計測し、太陽観測など他分野の突発現象との比較も行い、高温プラズ マの突発現象の特性を明らかにする。
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究は、核融合プラズマ中の乱流の空間構造・スケール構造を高い波数分解能で計測できるシステムを構築し、突発的に発生する現象、特にプラズマの閉じ込めが突然悪化した時に、エネルギーカスケードの構造変化がどのように生じたのかを、高時間・空間分解能を持って示すことを目指している。これにより、将来の核燃焼発電炉における最重要課題であるディスラプションを理解する基礎となる物理知見などが得られる。この革新的な計測は、「同時に」、様々な周波数のミリ波帯電磁波を沢山発生させる技術、様々な方向へミリ波のビームを放射する技術、を組合わせることで実現することが出来ると考えている。そして、構築したシステムを用いて、高温プラズマ中の散乱波数スペクトルの時空間変化を世界で初めて計測し、太陽観測など他分野の突発現象との比較を行い、高温プラズマの突発現象の特性を明らかにすることを目指している。上記目標を達成するため、本研究は、次の4つのステップを順次実施していく計画である。[2023-24年度：フェーズドアレイアンテナから任意の方向にミリ波ビームを放射する制御方法の確立]、 [2023-24年度：同時多点プラズマ計測のためのミリ波システムの構築]、[2023～26年度：プラズマ実験装置への適用と計測実証] 、[2026年度：成果のまとめと他分野における突発現象との相似性などを明示]である。
今年度は、任意の方向に電磁波を放射できるフェーズドアレイアンテナの開発を行った。プラズマの電子密度に合わせたX-bandとQ-bandのマイクロ波周波数帯のアンテナを設計し金属３Dプリンタを用いて製作した。特にマイクロ波を伝送するアンテナの内側面の滑らかさが、伝送効率に大きく影響を及ぼすため、内面に銅をメッキ処理する方法を試行し、メッキ液を強制還流することによって性能の良い銅膜が形成でき、マイクロ波伝送の向上を確かめた。
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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
計画に沿ってアンテナの開発やマイクロ波システムに必要な発振器や回路部品などを入手し、システムの構築を進めている。また、システムの性能試験を行うためのプラズマ模擬テストモジュールも製作し性能評価も行い問題なく利用できることを確かめた。
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| Strategy for Future Research Activity |
2024年度は、前年度に引き続き計測システムの開発を行い、その後プラズマ実験に適用し初期データを得ることを目指す。
まず、前年度開発を行ったX-bandのフェーズドアレイアンテナを用いて、任意の方向へミリ波を放射させる技術の確立を目指す。これまでの切削加工等の技術では造形できなかった立体構造のフェーズドアレイアンテナを３D立体造形で製作したが、ミリ波が伝搬する内部面の表面処理技術をさらに高めることで伝送損失を減少させ、より効率的なフェーズドアレイアンテナを製作する。また、本研究では、このフェーズドアレイアンテナに導入するミリ波の周波数を変化させることで、放射方向を制御する技術の確立を目指している。
次に、昨年度入手した同時に多周波数を発生させることができるミリ波発振器を光源とした、ミリ波計測回路を構築する。特に光源として用いるコム周波数成分の内、実際にプラズマ計測に利用する周波数帯域の成分のみを選択的に増幅し、信号強度を高めることで、効果的な信号/雑音比の向上が実現できる。これを実現するミリ波回路を設計・製作し、その性能を評価する。なお低コスト化を図るため、受信部には市販されている表面実装型のミリ波集積回路を効率的に活用することを計画している。フェーズドアレイアンテナおよびミリ波回路それぞれの開発試験の後、テストベンチを用いて統合試験を行い、解析プログラムの開発も実施する。その後、九州大学のプラズマ実験装置に適用し、実際のプラズマを用いて乱流波数スペクトルの時間変化を観測するという計測実証実験を実施する。
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Report
(1 results)
Research Products
(5 results)
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[Presentation] Electron-scale turbulence characteristics in LHD plasma2023
Author(s)
T. NASU, T. TOKUZAWA, M. NAKATA, K. IDA, T. KOBAYASHI, S. INAGAKI, Y. YOSHIMURA, M. NISHIURA, K. TANAKA, R. YANAI, M. YOSHINUMA, K.Y. WATANABE, I. YAMADA, A. EJIRI
Organizer
IAEA-FEC2023
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[Presentation] Millimeter-wave scattering measurement system for verifying anisotropy and interactions between scales in microscale turbulence2023
Author(s)
Tokihiko Tokuzawa , T. Nasu, R. Yanai, S. Kubo, K. Tanaka, M. Emoto, S. Inagaki, K. Ida, M. Yoshinuma, K. Y. Watanabe, A. Ejiri, T. Saito, G. Furuya, R. Imazawa, M. Yoshida, and LHD Experiment Group
Organizer
The 5th European Conference on Plasma Diagnostics
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