Quantitative evaluation of ionization, recombination and cooling rate of tungsten for transport study and density analysis

2018 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 16H04088
• Research Institution: National Institute for Fusion Science
• Principal Investigator: 森田 繁 核融合科学研究所, ヘリカル研究部, 教授 (80174423)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 大石 鉄太郎 核融合科学研究所, ヘリカル研究部, 助教 (80442523)
• Project Period (FY): 2016-04-01 – 2021-03-31
• Keywords: プラズマ核融合 / タングステン / プラズマ分光 / EUV分光 / 疑似連続光 / 放射損失 / 電離・再結合 / 原子物理

Outline of Annual Research Achievements

平成30年10－31年2月の5か月間，LHDで重水素実験を実施した．実験前に新たに中性子遮蔽を追加した．非常に大きな効果があり，機器運転に関して大きな支障を完全に排除することに成功した．また，CCD検出器の中性子影響についても研究を行い，雑音の59%が中性子由来の雑音であり，残りの41%はγ線由来の雑音であることが判明した．スペクトルの蓄積やソフトウェアプログラミングにより雑音を除去できることも実証した（RSI誌 89(2018)10I109）．平成30年度にはタングステンイオンの密度計測をLHD実験で試みた．複雑なUTAスペクトルから特定のイオン価数を狭い波長幅で抽出することに成功し，その空間分布から電子温度・密度分布及びADASコードで求めたスペクトル放射係数を使用し，首尾よく密度分布の導出に成功した（JJAP誌 57(2018)106101）．
HL-2A装置（中国・成都・西南物理研究所）でレーザーブローオフ法を用いてタングステンを入射し，LHD実験で得た知見を基に，低価数のタングステンイオンの観測を行った．首尾よくWVIIスペクトルを216Å及び261Å位置で観測・同定することができた．EUV分光器の絶対感度較正，ADASコードを用いた放射係数計算を通して，W6+イオンの流入束を評価することに成功した（Nucl.Fusion誌 59(2019)016020-）．この結果はITER実験でのタングステン流入束評価に大いに貢献する．
また，EAST装置（中国・合肥・等離子体物理研究所）では，タングステンスペクトルの空間分布計測を行った．LHD実験でのデータ解析を基にしてEAST分光データを解析した結果，プラズマ中心部に位置するW42+，W43+及びW45+イオンの密度分布を導出することに成功した（NIM誌 A916(2019)169）．

Current Status of Research Progress

1: Research has progressed more than it was originally planned.

Reason

本研究の目的であるタングステン不純物の定量評価について研究は着実に進展している．
平成29年度には，タングステンの代表的なイオンスペクトルであるUTAと呼ばれる疑似連続光の空間分布観測に成功し，低電離タングステンスペクトルや可視域禁制線（例えば磁気双極子禁制線）の観測にも成功した．UTAスペクトルの詳細な分析の結果，数か所の波長位置でW24+（32.28-32.39Å），W25+（31.14-31.25Å），W26+（29.91-30.02Å）イオンの定量解析が可能であることが分かった．分光器の絶対感度較正，空間分布の磁気面座標への再構成，独自開発したCRモデルやADASコードによる放射強度計算を行い，上記タングステンイオン密度算出への見通しを確かなものとした．また，中国のタングステンダイバータ・EASTトカマクでは，NBI加熱Hモード放電においてプラズマ中心部でのタングステンスペクトル空間分布データを観測した．HL-2Aトカマクでは，W6+という低電離タングステンイオンからのEUVスペクトルを核融合プラズマでは初めて発見した．
これらの成果を受けて，平成30年度にはUTAスペクトルの空間分布から上記イオンの密度空間分布を導出することに成功した．入射したタングステン量と比較した結果，得られたタングステンイオン密度は非常に妥当な値を示した．またEASTトカマクではHモード放電中のプラズマ中心部に位置するW42+-W45+イオンの密度を算出した．HL-2Aトカマクでは，観測したWVIIスペクトルの絶対強度からタングステン流入束を評価することに初めて成功した．本研究で得られつつあるタングステンイオン密度の絶対評価に関する成果は，ITER実験におけるタングステン輸送研究に向け，非常に大きな知見をなす．

Strategy for Future Research Activity

平成28年度は主に重水素実験に向けて装置改良に力を注いだ．同時にEUVスペクトルを検出するCCD検出器の中性子及びγ線影響についても定量的な研究を行い，検出器の遮蔽には鉛とポリエチレンの適度な組み合わせが重要でることが分かった．平成29年度には，タングステン空間分布観測とUTAスペクトルの詳細解析を行った．平成30年度には，UTAスペクトルからイオン密度を首尾よく求めることに成功した．また，中国・EASTトカマクでは，平成30年度までに，空間分布観測を実現し，プラズマ中心部でのイオン密度を大雑把に算出した．中国・HL-2Aトカマクでは，低電離タングステンイオンスペクトルであるWVIIをEUV領域で初めて観測・同定し，それを基にタングステンイオンの流入束を評価することに成功した．
平成31年以降には，タングステンイオンの冷却係数や電離・再結合係数の評価を行う．また，これまで得られたタングステン分光に関する知見を不純物輸送研究に応用する．
中国・合肥・ASIPPのEASTトカマクでは，平成30年度の実験でHL-2A装置同様WVII等の低電離スペクトル観測に成功している．そこで，プラズマ中心部でのタングステンの振舞いに加えて，長時間放電でのプラズマ周辺部でのタングステンの輸送研究を新たに開始する．LHD実験で得られた知見を基に，Hモード放電等におけるタングステンイオン密度を正確に評価し，放電形態によるタングステン輸送の違いを明らかにする．EASTでは平成31年度に下側ダイバータにもタングステンが装着される予定になっており，平成31年度後半からは完全金属装置でのタングステン輸送研究が可能になる．成都・SWIPのHL-2Aトカマクでは，タングステン流入束制御を目的にRMP磁場等を用いて共同研究を実施する．以上の結果を通してITER実験への貢献を目指す．

Research Products

• [Int'l Joint Research] Institute of Plasma Physics, CAS/Univ. of Sci. and Tech. of China(中国)
  • Country Name: CHINA
  • Counterpart Institution: Institute of Plasma Physics, CAS/Univ. of Sci. and Tech. of China
• [Int'l Joint Research] Southwestern Institute of Physics(中国)
  • Country Name: CHINA
  • Counterpart Institution: Southwestern Institute of Physics
• [Journal Article] Evaluation of tungsten influx rate and study of edge tungsten behavior based on the observation of EUV line emissions from W6+ ions in HL-2A (2019)
  • Author(s): C.F.Dong, S.Morita, Z.Y.Cui, P.Sun, K.Zhang, I.Murakami, B.Y.Zhang, Z.C.Yang, D.L.Zheng, L.Feng, Y.Li, B.Z.Fu, P.Lu, Z.B.Shi, Q.W.Yang , M.Xu and X.R.Duan
  • Journal Title: Nuclear Fusion Volume: 59 Pages: 016020-1-13
  • DOI: https://doi.org/10.1088/1741-4326/aaf084
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] A space-resolved extreme ultraviolet spectrometer for radial profile measurement of tungsten ions in the Experimental Advanced Superconducting Tokamak (2019)
  • Author(s): L.Zhang, S.Morita, Z.W.Wu, Z.Xu, X.D.Yang, Q.Zang, H.Q.Liu, Y.Liu, T.Ohishi, Y.J.Chen, L.Q.Xu, C.R.Wu, Y.M.Duan, W.Gao, J.Huang, X.Z.Gong and L.Q.Hu
  • Journal Title: Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Volume: A916 Pages: 169-178
  • DOI: https://doi.org/10.1016/j.nima.2018.11.082
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Fusion research and international collaboration in the Asian region (2018)
  • Author(s): S.Morita, L.Q.Hu, Y.K.Oh, N.Ashikawa, M.Isobe, D.Kato, Y.Kishimoto, S.Ohdachi, S.Sakakibara, Y.Todo, Y.Kamada, D.Raju and M.Xu
  • Journal Title: Plasma and Fusion Research Volume: 13 Pages: 3502046-1-10
  • DOI: 10.1585/pfr.13.3502046
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Effect of neutron and gamma-ray on charge-coupled device for vacuum/extreme ultraviolet spectroscopy in deuterium discharges of large helical device (2018)
  • Author(s): Y.Liu, S.Morita, T.Oishi and M.Goto
  • Journal Title: Review of Scientific Instruments Volume: 89 Pages: 10I109-1-5
  • DOI: https://doi.org/10.1063/1.5037233
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Observation of tungsten line emissions in wavelength range of 10 - 500 angstrom in Large Helical Device (2018)
  • Author(s): Y.Liu, S.Morita, T.Oishi, M.Goto and X.L.Huang
  • Journal Title: Plasma and Fusion Research Volume: 13 Pages: 3402020-1-6
  • DOI: 10.1585/pfr.13.3402020
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Density evaluation of tungsten W24+, W25+, and W26+ ions using unresolved transition array at 27-34 angstrom in Large Helical Device (2018)
  • Author(s): Y.Liu, S.Morita, I.Murakami, T.Oishi, M.Goto and X.L.Huang
  • Journal Title: Japanese Journal of Applied Physics Volume: 57 Pages: 106101-1-9
  • DOI: https://doi.org/10.7567/JJAP.57.106101
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Study of impurity transport in HL-2A ECRH L-mode plasmas with radially different ECRH power deposition (2018)
  • Author(s): Z.Y.Cui, K.Zhang, S.Morita, X.Q.Ji, X.T.Ding, Y.Xu, P.Sun, J.M.Gao, C.F.Dong, D.L.Zheng, Y.G.Li, M.Jiang, D.Li, W.L.Zhong, Yi.Liu, Y.B.Dong, S.D.Song, L.M.Yu, Z.B.Shi, B.Z.Fu, P.Lu, M.Huang, B.S.Yuan, Q.W.Yang and X.R.Duan
  • Journal Title: Nuclear Fusion Volume: 58 Pages: 056012-1-13
  • DOI: https://doi.org/10.1088/1741-4326/aab166
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Observation of carbon impurity flow in the edge stochastic magnetic field layer of Large Helical Device and its impact on the edge impurity control (2018)
  • Author(s): T. Oishi, S. Morita, S. Y. Dai, M. Kobayashi, G. Kawamura, X. L. Huang, H. M. Zhang, Y. Liu, M. Goto
  • Journal Title: Nuclear Fusion Volume: 58 Pages: 016040-1-10
  • DOI: https://doi.org/10.1088/1741-4326/aa8f63
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Three-dimensional simulations of edge impurity flow obtained by the vacuum ultraviolet emission diagnostics in the Large Helical Device with EMC3-EIRENE (2018)
  • Author(s): S.Y.Dai, T.Oishi, G.Kawamura, M.Kobayashi, S.Morita, Y.Feng and D.Z.Wang
  • Journal Title: Nuclear Fusion Volume: 58 Pages: 096024-1-15
  • DOI: https://doi.org/10.1088/1741-4326/aace69
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Response of plasmas to tungsten pellet injection in neutral beam heated discharges in Large Helical Devic (2018)
  • Author(s): T.Oishi, S.Morita, X.L.Huang, Y.Liu and M.Goto
  • Journal Title: Plasma and Fusion Research Volume: 13 Pages: 3402031-1-4
  • DOI: 10.1585/pfr.13.3402031
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Investigation of impurity confinement in lower hybrid wave heated plasma on EAST tokamak (2018)
  • Author(s): Z. Xu, Z.W. Wu, L. Zhang, W. Gao, Y. Ye, K.Y. Chen, Y. Yuan, W. Zhang, X.D. Yang, Y.J. Chen, P.F. Zhang, J. Huang, C.R. Wu , S. Morita, T. Oishi, J.Z. Zhang, Y.M. Duan, Q. Zang, S.Y. Ding , H.Q. Liu, J.L. Chen, L.Q. Hu, G.S. Xu, H.Y. Guo
  • Journal Title: Nuclear Fusion Volume: 58 Pages: 016001-1-10
  • DOI: https://doi.org/10.1088/1741-4326/aa8e06
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Presentation] LHDプラズマにおける実効電荷数 (2019)
  • Author(s): 川本靖子，後藤基志，森田繁，大石鉄太郎
  • Organizer: 日本物理学会第74回年次大会，2019年3月14-17日，九州大，（口頭発表），17aK307-7，2019年3月17日
• [Presentation] LHDの周辺部統計的磁場領域における不純物遮蔽効果への重水素プラズマの影響 (2019)
  • Author(s): 大石鉄太郎，森田繁，小林政弘，河村学思，川本靖子，後藤基志
  • Organizer: 日本物理学会第74回年次大会，2019年3月14-17日，九州大，（口頭発表），17aK307-6，2019年3月17日
• [Presentation] Measurement of Lyman-α line polarization for a study of anisotropy in the electron velocity distribution function (2019)
  • Author(s): N.Nimavat, M.Goto, T.Oishi, S.Morita
  • Organizer: 日本物理学会第74回年次大会，2019年3月14-17日，九州大，（口頭発表），17aK307-2，2019年3月17日
• [Presentation] Quantitative analysis on tungsten spectra of W6+ to W45+ ions (2018)
  • Author(s): Shigeru Morita, Chunfeng Dong, Daiji Kato, Yang Liu, Ling Zhang, Zhengying Cui, Motoshi Goto, Izumi Murakami and Tetsutaro Oishi
  • Organizer: 24th International Conference on Spectral Line Shapes (24th ICSLS) 17-22 June, 2018 Dublin City University, Dublin Ireland
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Evaluation of photon emission coefficients in tungsten UTA transitions using LHD plasmas (2018)
  • Author(s): Shigeru MORITA, Yang LIU, Izumi MURAKAMI, Tetsutaro OISHI and Motoshi GOTO
  • Organizer: 7th Atomic and Molecular Processes in Plasma (AMPP2018), ASIPP, Hefei, Anhui, China, 24 - 26 July 2018
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Unique impurity control based on the intrinsic nature of LHD plasmas generated with external magnetic coil system (2018)
  • Author(s): S.Morita, T. Oishi, X.L. Huang, H.M. Zhang, M. Goto, Y. Kawamoto, M. Kobayashi and Y. Liu
  • Organizer: ITC27 & APPTC2018, Ceratopia Toki, Toki 509-5121, Gifu, Japan, 19-22 November 2018
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Modeling for emission line spectra of tungsten highly charged ions and its applications to tungsten measurements for fusion plasmas (2018)
  • Author(s): D.Kato, S.Era, H.A. Sakaue, I.Murakami, M.Goto, T.Oishi, C.Suzuki, N.Nakamura and S.Morita
  • Organizer: The 13th International Symposium on Electrom Beam Ion Source and Traps (EBIST-2018), Fudan University, China, 23-27 October 2018
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Effect of neutron and gamma-ray on charge-coupled device for vacuum/extreme ultraviolet spectroscopy in deuterium discharges of Large Helical Device (2018)
  • Author(s): Y. Liu, S. Morita, T. Oishi and M. Goto
  • Organizer: 22nd International Conference on High-Temperature Plasma Diagnostics (HTPD), San Diego, California, USA, 16-19 April 2018
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Polarization measurement of hydrogen Lyman-alpha in the Large Helical Device (2018)
  • Author(s): N.Nimavat, M.Goto, T.Oishi and S.Morita
  • Organizer: 24th International Conference on Spectral Line Shapes (24th ICSLS) 17-22 June, 2018 Dublin City University, Dublin Ireland
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Doppler profile diagnostics on VUV spectra for the impurity ion temperature in edge plasmas of Large Helical Device (2018)
  • Author(s): T.Oishi, S.Morita, S.Y.Dai, M.Kobayashi, G.Kawamura, Y.Liu, M.Goto
  • Organizer: 24th International Conference on Spectral Line Shapes (24th ICSLS) 17-22 June, 2018 Dublin City University, Dublin Ireland
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Study of Lyman-alpha line polarization due to anisotropic electron collisions in LHD plasma (2018)
  • Author(s): N.Nimavat, M.Goto, T.Oishi and S.Morita
  • Organizer: ITC27 & APPTC2018, Ceratopia Toki, Toki 509-5121, Gifu, Japan, 19-22 November 2018
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Dependence of plasma parameters in hydrogen pellet ablation cloud on the background plasma conditions (2018)
  • Author(s): M.Goto, H.Uyama, T.Ogawa, K.Matra, G.Motojima, T.Oishi, S.Morita
  • Organizer: ITC27 & APPTC2018, Ceratopia Toki, Toki 509-5121, Gifu, Japan, 19-22 November 2018
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Effective ion charge diagnostic for the LHD plasma (2018)
  • Author(s): Y.Kawamoto, M.Goto, S.Morita, T.Oishi
  • Organizer: ITC27 & APPTC2018, Ceratopia Toki, Toki 509-5121, Gifu, Japan, 19-22 November 2018
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Effect of deuterium plasmas on carbon impurity transport in the edge stochastic magnetic field layer of Large Helical Device (2018)
  • Author(s): T.Oishi, S.Morita, M.Kobayashi, G.Kawamura, Y.Liu, M.Goto
  • Organizer: 27th IAEA Fusion Energy Conference (FEC 2018), Gandhinagar, India, 22-27 October 2018
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] HL-2AトカマクとLHDにおける低電離タングステンイオンの観測とW6+イオンスペクトルを用いたタングステン流入束評価 (2018)
  • Author(s): 森田繁，董春鳳，劉洋，村上泉，大石鉄太郎，後藤基志，川本靖子
  • Organizer: 日本物理学会，2018年9月9-12日，同志社大，（口頭発表），9aC101-8，2018年9月9日
• [Presentation] 10-500 angstromにおけるタングステンEUVスペクトルの空間分布計測を基にしたタングステン放射冷却係数の評価 (2018)
  • Author(s): 劉洋，森田繁，大石鉄太郎，後藤基志，川本靖子
  • Organizer: 日本物理学会，2018年9月9-12日，同志社大，（口頭発表），9aC101-9，2018年9月9日
• [Presentation] LHDの周辺部統計的磁場領域における炭素不純物フローへの重水素プラズマの影響 (2018)
  • Author(s): 大石鉄太郎, 森田繁, 小林政弘, 河村学思, 劉洋, 川本靖子, 後藤基志
  • Organizer: 日本物理学会，2018年9月9-12日，同志社大，（口頭発表），9aC101-7，2018年9月9日
• [Presentation] LHDにおける実効核電荷に注目した重水素放電の特性の研究 (2018)
  • Author(s): 後藤基志, 森田繁, 大石鉄太郎
  • Organizer: 日本物理学会，2018年9月9-12日，同志社大，（口頭発表），9aC101-10，2018年9月9日
• [Presentation] RMP印加によって安定化されたダイバータデタッチメント運転時のコア輸送 (2018)
  • Author(s): 小林政弘, 増崎貴, 横山雅之, 田中謙治, 徳澤季彦, 森田繁, 井戸毅, 成嶋吉朗, 山田一博
  • Organizer: 日本物理学会，2018年9月9-12日，同志社大，（口頭発表），9aC101-12，2018年9月9日
• [Presentation] LHD コアプラズマでのタングステン多価イオン密度のポロイ ダル分布 (2018)
  • Author(s): 加藤太治，恵良彰太，坂上裕之，村上泉，大石鉄太郎， 後藤基志，森田繁
  • Organizer: プラズマ核融合学会第35回年会，2018年12月3-6日，大阪大学，（ポスター発表），3P79，2019年12月3日
• [Presentation] LHDにおける実効電荷数の計測 (2018)
  • Author(s): 川本靖子，後藤基志，森田繁，大石鉄太郎
  • Organizer: プラズマ核融合学会第35回年会，2018年12月3-6日，大阪大学，（ポスター発表），6P58，2019年12月6日
• [Presentation] LHD の統計的磁場領域がもたらす不純物制御の新展開 (2018)
  • Author(s): 大石鉄太郎，森田繁，戴舒宇，小林政弘，河村学思， 劉洋，川本靖子，後藤基志
  • Organizer: プラズマ核融合学会第35回年会，2018年12月3-6日，大阪大学，（招待講演），5Dp01，2019年12月5日