合体生成高ベータ球状トカマクのマクロ-ミクロスケール加熱構造の解明

2015 Fiscal Year Research-status Report

• Project/Area Number: 15K20921
• Research Institution: The University of Tokyo
• Principal Investigator: 田辺 博士 東京大学, 新領域創成科学研究科, 助教 (30726013)
• Project Period (FY): 2015-04-01 – 2017-03-31
• Keywords: プラズマ・核融合 / プラズマ診断 / 磁気リコネクション

Outline of Annual Research Achievements

「合体生成高ベータ球状トカマクのマクロ-ミクロスケール加熱構造の解明」に取り組む本研究課題では、従来の36点の2次元イオンドップラートモグラフィ計測の空間分解能を向上させ、磁気リコネクションのX点近傍のミクロな加熱構造および、球状トカマク立ち上げシナリオとして重要な、リコネクションアウトフローの合体下流における熱化・輸送過程までを含めたマクロな加熱構造を明らかにすることを目的としている。
研究初年度となる2015年度は、本研究計画の基盤をなすイオンドップラー分光計測システムの分解能拡充に着手した。従来主力計測として用いてきた36チャンネルのイメージング分光計測では、分光器のスリット手前にコア系230μmのファイバーアレイを1列に並べる方式を用いてきたが、こうした従来の手法では分光器スリット高さの制約により空間分解能の向上とファイバーコア径のトレードオフで使用可能チャンネル数が制約される問題があったため、英国カラム研究所の荷電交換分光システムで実績のあるマルチスリット分光方式を採用し、コア径400μmのファイバー96本を32本x3列で構成することにより、多チャンネル・大コア径化を同時に達成した。
システム開発と並行し、2015年度はMAST共同実験のトモグラフィ計測データ解析およびTS-3装置(当初のTS-4から変更)における予備実験を実施した。磁気リコネクションのX点近傍に分解能を集中した実験において、MASTではリコネクションアウトフローのエネルギーが合体下流で熱化し、再結合磁場が形成する同一磁気面状で閉じ込められることでリング状の加熱構造を形成する現象および、X点近傍にアウトフロー加速チャンネルを示唆する微細構造の形成が確認された。TS-3では、さらにその構造がガイド磁場の効果による傾く現象が初めて確認され、ガイド磁場極性・強度・Massに依存する特徴が明らかにされた。

Current Status of Research Progress

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

Reason

2015,2016年度の2年計画で遂行する本研究では、研究初年度はその核となるハードウェア環境の整備として、従来の36点の2次元イオンドップラートモグラフィ計測の空間分解能の96CHへの増段として、近年英国カラム研究所等で用いられているマルチスリット分光方式の新しい分光システムの開発に取り組んだ。
年度途中、研究代表小野の基盤S採択(15H05750)・TS-4装置アップグレード工事開始に伴い、計測対象のプラズマパラメータレンジ変更および、当初の想定外の補助が受けられるようになったため、年度前半は研究計画を一部修正し、g=3600L/mmのVPHグレーティング導入は見送りツェルニー・ターナー分光器を使用し、またマルチスリット方式(32CHx3列=96CH)のファイバーバンドルの列間隔は可変とできるよう設計の修正を行った。これに伴い、当初9月納品予定の資材調達が年度後半までずれ込んだが、年度末段階では当初の計画通りの調達を完了した。初期結果ながら、磁気リコネクションのX点近傍のミクロな領域におけるガイド磁場の影響を示唆する加速構造検出など新しい成果が得られ始め、年度末段階ではおおむね計画通りの段階に到達した。当初の計画仕様と比較すると、マルチスリット分光システムの列間隔可変機構が付加できたことで、さらなる多チャンネル化の可能性を残すことができており、来年度はさらなる進展が期待される。
研究初年度は当初論文成果は特に計上していなかったが、英国カラム研究所のMAST装置における大型リコネクション実験のトモグラフィデータ解析において特に進展がみられ、Physical Review Letters誌論文採択、プラズマ核融合学会の第20回学術奨励賞受賞、国内外における招待講演など、当初の計画にはなかった各種論文・対外発表などの進展がみられた。

Strategy for Future Research Activity

2016年度は、2015年度に未開発の流速計開発および、1度の放電でプラズマ全体を一度に網羅できるポロイダル平面切断型の新しいトモグラフィ計測の開発に着手するとともに、2015年度の研究計画修正で生じた96CHからのさらなる多チャンネル化の可能性開拓に取り組む。研究代表小野の基盤S(15H05750)計画との連携の関係で、年度初頭はTS-3装置シャットダウンPF・TFアップグレード工事、新オペレーション構築から開始されるため、年度前半は計画に左右されないポロイダル平面切断型の新しいトモグラフィ解析コードの開発および(4-8月)、対応したトモグラフィ計測系用の新しい集光用光ファイバーバンドルの整備(4-5月)・ポロイダル集光系およびフランジの整備を行う(5-8月)。年度中盤、高出力リコネクション装置TS-Uの実験環境が整ってきたところ順次実験投入を開始し、インフロー駆動率、ガイド磁場条件、リコネクション磁場強度、平衡磁場強度の各種スキャンの実施により、リコネクション加熱の各種条件依存性を調査する。その成果は新実験のオペレーション最適化に還元し、単にリコネクション加熱の最大化のみならず、閉じ込めまで考慮した最適運転シナリオの開発に取り組む。英国のMAST共同研究者らが始める新しい合体実験ST40計画とは随時密に連携をとり、相互の最新成果のフィードバックも得ながら高ベータ球状トカマクの合体生成シナリオの最適化を目指す。
2016年度は本研究課題では最終年度にあたるため、7-12月にかけては進展状況の積極的な対外発表を開始する(米国物理学会、IAEA-FEC国際会議、プラズマ核融合学会等)。合体加熱実験の本質である磁気リコネクションの専門家からの助言も得ながら、年度後半から徐々に成果を査読付き学術論文誌に投稿し、研究成果のまとめを開始する。

Causes of Carryover

運営費支給額0の助教ポストの都合により、1000円以下の残額まで無理に0にすることは予算運用上不必要な使い切りにつながるため、2015年度分の328円の残額は無理に使用せず次年度使用額とした。

Expenditure Plan for Carryover Budget

次年度使用額は328円と少額なため、研究最終年度の予算の微調整に使用する。

Research Products

• [Int'l Joint Research] CCFE/Tokamak Energy Ltd.(英国)
  • Country Name: UNITED KINGDOM
  • Counterpart Institution: CCFE/Tokamak Energy Ltd.
• [Int'l Joint Research] PPPL/Univ. Washington/General Atomics(米国)
  • Country Name: U.S.A.
  • Counterpart Institution: PPPL/Univ. Washington/General Atomics
• [Journal Article] Application of Tomographic Ion Doppler Spectroscopy to Merging Plasma Startup in the MAST Spherical Tokamak (2016)
  • Author(s): H. Tanabe, T. Yamada, T. Watanabe, K. Gi, K. Kadowaki, M. Inomoto, R. Imazawa, M. Gryaznevich, R. Scannell, N. J. Conway, B. Crowley, K. G. McClements, I. Fitzgerald, C. Michael, J. Harrison, A. Meakins, N. Hawkes, T. O’Gorman, C. Z. Cheng, Y. Ono, and the MAST Team
  • Journal Title: Plasma and Fusion Research Volume: TBD Pages: TBD
  • DOI: TBD
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research / Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] Numerical study of energy conversion mechanism of magnetic reconnection in the presence of high guide field (2015)
  • Author(s): S. Inoue, Y. Ono, H. Tanabe, R. Horiuchi and C.Z. Cheng
  • Journal Title: Nucl. Fusion Volume: 55 Pages: 083014 - 1 ~ 10
  • DOI: 10.1088/0029-5515/55/8/083014
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Centre-solenoid-free merging start-up of spherical tokamak plasmas in UTST (2015)
  • Author(s): M. Inomoto, T.G. Watanabe, K. Gi, K. Yamasaki, S. Kamio, R. Imazawa, T. Yamada, X. Guo, T. Ushiki, H. Ishikawa, H. Nakamata, N. Kawakami, T. Sugawara, K. Matsuyama, K. Noma, A. Kuwahata and H. Tanabe
  • Journal Title: Nucl. Fusion Volume: 55 Pages: 033013 -1 ~ 8
  • DOI: 10.1088/0029-5515/55/3/033013
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Charge dependence of neoclassical and turbulent transport of light impurities on MAST (2015)
  • Author(s): S. S. Henderson, L. Garzotti, F. J. Casson, D. Dickinson, M. O’Mullane, A. Patel, C. M. Roach, H. P. Summers, H. Tanabe, M. Valovic, and the MAST team
  • Journal Title: Plasma Phys. Control. Fusion Volume: 57 Pages: 095001 - 1 ~ 10
  • DOI: 10.1088/0741-3335/57/9/095001
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] High power heating of magnetic reconnection in merging tokamak experiments (2015)
  • Author(s): Y. Ono, H. Tanabe, T. Yamada, K. Gi, T. Watanabe, T. Ii, M. Gryaznevich, R. Scannell, N. Conway, B. Crowley and C. Michael
  • Journal Title: Phys. Plasmas Volume: 22 Pages: 055708 - 1 ~ 8
  • DOI: 10.1063/1.4920944
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Overview of MAST results (2015)
  • Author(s): I.T. Chapman, J. Adamek, R.J. Akers, S. Allan, … , J. Storrs, Y. Takase, H. Tanabe, H. Tanaka, D. Taylor, …, T. Yamada, S. Zoletnik and MAST and MAST Upgrade Teams
  • Journal Title: Nucl. Fusion Volume: 55 Pages: 104008 - 1 ~ 19
  • DOI: 10.1088/0029-5515/55/10/104008
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Electron and Ion Heating Characteristics during Magnetic Reconnection in the MAST Spherical Tokamak (2015)
  • Author(s): H. Tanabe, T. Yamada, T. Watanabe, K. Gi, K. Kadowaki, M. Inomoto, R. Imazawa, M. Gryaznevich, C. Michael, B. Crowley, N. J. Conway, R. Scannell, J. Harrison, I. Fitzgerald, A. Meakins, N. Hawkes, K. G. McClements, T. O’Gorman, C.Z. Cheng, Y. Ono, and the MAST Team
  • Journal Title: Phys. Rev. Lett. Volume: 115 Pages: 215004 - 1 ~ 5
  • DOI: 10.1103/PhysRevLett.115.215004
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research / Acknowledgement Compliant
• [Presentation] Investigation of merging/reconnection heating during solenoid-free startup of plasmas in the MAST spherical tokamak (2016)
  • Author(s): H. Tanabe, T. Yamada, T. Watanabe, K. Gi, K. Kadowaki, M. Gryaznevich, R. Scannell, N. J. Conway, C. Michael, B. Crowley, J. Harrison, I. Fitzgerald, A. Meakins, N. Hawkes, K. G. McClements, T. O’Gorman and C. Z. Cheng
  • Organizer: 26th IAEA Fusion Energy Conference
  • Place of Presentation: Kyoto, Japan
  • Year and Date: 2016-10-17 – 2016-10-22
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] ION AND ELECTRON HEATING CHARACTERISTICS OF MAGNETIC RECONNECTION IN MAST TOKAMAK MERGING EXPERIMENT (2016)
  • Author(s): H. Tanabe, T. Yamada, R. Imazawa, M. Inomoto, C. Z. Cheng, Y. Ono and the MAST team (M. Gryaznevich, R. Scannell, N. Conway, K. G. McClements)
  • Organizer: 41st COSPAR Scientific Assembly 2016
  • Place of Presentation: Istanbul, Turkey
  • Year and Date: 2016-07-30 – 2016-08-07
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] 実験室リコネクションにおけるプラズマ加熱 (2016)
  • Author(s): 田辺 博士, 山田 琢磨, 渡辺 岳典, 魏 啓為, 門脇 和丈, 井通暁, 今澤 良太, M. Gryaznevich, the MAST team, C. Z. Cheng, 小野 靖
  • Organizer: 磁気リコネクション研究の最前線と今後の展望
  • Place of Presentation: 国立天文台(東京都, 三鷹市)
  • Year and Date: 2016-03-28 – 2016-03-29
  • Invited
• [Presentation] Recent progress of high field reconnection heating experiment in MAST (2016)
  • Author(s): H. Tanabe, T. Yamada, T. Watanabe, K. Gi, K. Kadowaki, M. Inomoto, R. Imazawa, M. Gryaznevich, C. Michael, B. Crowley, N. J. Conway, R. Scannell, J. Harrison, I. Fitzgerald, A. Meakins, N. Hawkes, K. G. McClements, T. O’Gorman, C. Z. Cheng and Y. Ono
  • Organizer: US-Japan workshop on Magnetic Reconnection (MR2016)
  • Place of Presentation: Napa, USA
  • Year and Date: 2016-03-07 – 2016-03-11
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] 大型球状トカマク合体実験MASTにおけるリコネクション加熱研究の進展 (2015)
  • Author(s): 田辺 博士, 山田 琢磨, 渡辺 岳典, 魏 啓為, 門脇 和丈, 今澤 良太, C. Michael, B. Crowley, N. Conway, R. Scannell, M. Gryaznevich, 井 通暁, 小野 靖
  • Organizer: 第32回プラズマ核融合学会年会
  • Place of Presentation: 名古屋大学(愛知県, 名古屋市)
  • Year and Date: 2015-11-24 – 2015-11-27
  • Invited
• [Presentation] Electron and ion heating characteristics during magnetic reconnection in MAST (2015)
  • Author(s): H. Tanabe, T. Yamada, T. Watanabe, K. Gi, K. Kadowaki, M. Inomoto, R. Imazawa, M. Gryaznevich, C. Michael, N. Conway, R. Scannell, B. Crowley, K. McClements and Y. Ono
  • Organizer: 57th Annual Meeting of the APS Division of Plasma Physics
  • Place of Presentation: Savannah, USA
  • Year and Date: 2015-11-16 – 2015-11-20
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Development of ultra-fast 2D ion Doppler tomography using image intensified CMOS fast camera (2015)
  • Author(s): H. Tanabe, A. Kuwahata, H. Yamanaka, M. Inomoto and Y. Ono
  • Organizer: 57th Annual Meeting of the APS Division of Plasma Physics
  • Place of Presentation: Savannah, USA
  • Year and Date: 2015-11-16 – 2015-11-20
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Application of merging/reconnection heating for spherical tokamak in MAST (2015)
  • Author(s): H. Tanabe, T. Yamada, K. Yamasaki, T.Watanabe, K. Gi, M. Inomoto, M. Gryaznevich, R. Scannell, N. Conway, B. Crowley, C. Michael and Y. Ono
  • Organizer: 18th International Spherical Torus Workshop (ISTW 2015)
  • Place of Presentation: Princeton, USA
  • Year and Date: 2015-11-03 – 2015-11-06
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] MAST共同実験における高ガイド磁場リコネクションの加熱 (2015)
  • Author(s): 田辺 博士, 山田 琢磨, 渡辺 岳典, 魏 啓為, 門脇 和丈, 井 通暁, 今澤 良太, M. Gryaznevich, the MAST team, C. Z. Cheng and 小野 靖
  • Organizer: 第23回ひので-実験室研究会
  • Place of Presentation: 東京大学(東京都, 文京区)
  • Year and Date: 2015-10-12 – 2015-10-12
• [Presentation] Electron and ion heating characteristics during merging/reconnection startup of spherical tokamak in MAST (2015)
  • Author(s): H. Tanabe, T. Yamada, T. Watanabe, K. Gi, K. Kadowaki, M. Inomoto, M. Gryaznevich, C. Michael, B. Crowley, N. Conway, R. Scannell and Y. Ono
  • Organizer: The 2015 International Workshop on the Interrelationship between Plasma Experiments in the Laboratory and in Space (IPELS2015)
  • Place of Presentation: Pitlochry, UK
  • Year and Date: 2015-08-23 – 2015-08-28
  • Int'l Joint Research
• [Remarks] 小野・井研究室
  • URL: http://tanuki.t.u-tokyo.ac.jp/
• [Remarks] プラズマ・核融合学会 第20回学術奨励賞受賞
  • URL: http://www.jspf.or.jp/award/jspfprize.html, http://www.jspf.or.jp/Journal/PDF_JSPF/jspf2015_10/jspf2015_10-697.pdf