3次元磁場効果によるプラズマ放射冷却の促進とダイバータ熱負荷軽減

2016 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 16H04622
• Research Institution: National Institute for Fusion Science
• Principal Investigator: 小林 政弘 核融合科学研究所, ヘリカル研究部, 准教授 (30399307)
• Project Period (FY): 2016-04-01 – 2019-03-31
• Keywords: プラズマ核融合 / 磁力線構造 / 不純物発光

Outline of Annual Research Achievements

２次元周辺分光計測器の整備と増強を行い、視野の拡大と波長分解能の向上が行われた。代表的な回折格子について絶対感度較正および装置関数幅の測定を行い、平成２９年２月から開始されるＬＨＤ実験に備えた。実験では、１～３荷の炭素イオンおよびメタンからの発光分布について、プラズマの密度および加熱パワーの違う放電に対して系統的にデータ収集を行った。メタンは炭素の化学スパッタリングによる発生量を現す指標である。また、真空紫外分光、ボロメータ、ダイバータプローブによる計測も実施した。これにより、以下の結果を得ている。
１．炭素の発生源の指標となる１荷のイオンおよびメタンの発光は、ダイバータ板に近い領域で発光している。プラズマの密度、加熱パワーを変えてもその位置はほとんど動かない。
２．炭素の２、３荷のイオンは、プラズマ密度の上昇とともに発光量が増加し、また空間的にも閉じ込め領域に近い方向に移動する。特に、３荷のイオンについては、密度の上昇に対して不連続に変化する。これは、トムソン散乱計測で得られた周辺部の電子温度分布の変化と対応しおり、磁力線構造との関係が示唆される。現在、磁力線追跡コードとの比較を進めている。
３．プラズマの燃料粒子が重水素の場合、軽水素に比べて系統的に炭素不純物の発行量が大きいことが確認された。これは重水素による炭素の物理スパッタリングが増加していることに起因すると考えられる。
４．ネオン、クリプトンの不純物を導入した実験によると、発光の分布は各不純物の電離電圧のみに依存し、不純物種には依存しない傾向にあることがわかった。また、ダイバータプローブによる計測から、不純物の発光増加に伴い、粒子負荷が減少する結果が得られた。
以上の結果は、３次元的な周辺磁場構造と不純物の発光分布の関係を知る上で重要な成果であり、今後、磁力線構造との比較を行うことにより、より詳細な知見が得られる。

Current Status of Research Progress

3: Progress in research has been slightly delayed.

Reason

周辺分光計測、真空紫外分光、ボロメータ、ダイバータプローブについては予定通り増強と整備を終えて、平成２９年２月からの実験でデータ収集を行っている。当初予定されていた光学フィルタを用いたＣＣＤカメラによる計測は、現状の分光計測があれば必ずしも必要がないと考えられるため、実施していない。
赤外線（ＩＲ）カメラによるダイバータ熱負荷計測は遅れている。ＬＨＤの重水素実験開始にともない、規則により既存のＩＲカメラが取り外されたことによる。現在、違う観測ポートでの計測を開始するべく、光学系の設計を始めている。次回のＬＨＤ実験（平成３０年秋に予定）からは計測を開始する予定。それまでは、ＩＲカメラの代わりに、ダイバータプローブによって計測されたプラズマ温度・密度から熱負荷を評価する。

Strategy for Future Research Activity

引き続き、周辺部の発光分布計測を続ける。ＬＨＤ実験は平成２９年度８月初旬まで行われる。今年度の５月以降はＬＨＤの磁場構造を大きく変化させた実験が行われるため、発光分布との関係を調査することができる。また、得られたスペクトルからドップラーシフト、ドップラー広がりを解析し、不純物の流速および温度を評価する。これら得られた実験データと、磁力線追跡コードによる磁場構造との比較を行う。また、トムソン散乱計測から得られた電子温度とも比較することにより、不純物の各荷数の存在領域を推測する。
今年度新たに導入予定の広波長領域を高波長分解で測定できる分光器を用いて計測を行い、衝突輻射モデルによる解析により炭素の発光領域における電子温度を評価する予定である。これとトムソン散乱計測との比較から、発光と電子温度、磁力線構造との関係を詳しく調べる。
赤外線カメラについては、現在新たな視野で光学設計を進めており、平成３０年度の実験から導入を予定している。
平成３０年度の初期を目標として、３次元数値シミュレーションを開始し、実験結果との比較を行う。これにより、現行の輸送モデルの検証を行う。

Research Products

• [Int'l Joint Research] ウィスコンシン大学(米国)
  • Country Name: U.S.A.
  • Counterpart Institution: ウィスコンシン大学
• [Int'l Joint Research] 大連理工大学(中国)
  • Country Name: CHINA
  • Counterpart Institution: 大連理工大学
• [Int'l Joint Research] Consorzio RFX(イタリア)
  • Country Name: ITALY
  • Counterpart Institution: Consorzio RFX
• [Journal Article] Space-resolved visible spectroscopy for two-dimensional measurement of hydrogen and impurity emission spectra and of plasma flow in the edge stochastic layer of LHD (2017)
  • Author(s): M. Kobayashi, S. Morita, and M. Goto
  • Journal Title: Review of Scientific Instruments Volume: 88 Pages: 033501-1, 12
  • DOI: 10.1063/1.4976963
  • Peer Reviewed / Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] 2D distribution of hydrogen/impurity radiation and flow formation in stochastic layer during detachment transition in LHD (2017)
  • Author(s): M. Kobayashi, S. Morita, and M. Goto
  • Journal Title: Nuclear Materials and Energy Volume: 印刷中 Pages: 印刷中
  • DOI: https://doi.org/10.1016/j.nme.2016.12.023
  • Peer Reviewed / Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] Effect of Impurity Source Locations on Up-Down Asymmetry in Impurity Distributions in the Ergodic Layer of Large Helical Device (2017)
  • Author(s): Tetsutarou Oishi, Shigeru Morita, Xianli Huang, Hongming Zhang, Yang Liu, Shuyu Dai, Masahiro Kobayashi, Gakushi Kawamura, Motoshi Goto and the LHD Experiment Group
  • Journal Title: Nuclear Materials and Energy Volume: 印刷中 Pages: 印刷中
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] EMC3-EIRENE modelling of edge impurity transport in the stochastic layer of the large helical device compared with extreme ultraviolet emission measurements (2016)
  • Author(s): Shuyu Dai, M. Kobayashi, G. Kawamura, S. Morita, H.M. Zhang, T. Oishi, Y. Feng, D.Z. Wang, Y. Suzuki and the LHD Experimental group
  • Journal Title: Nuclear Fusion Volume: 56 Pages: 066005-1,19
  • DOI: 10.1088/0029-5515/56/6/066005
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] In situ calibration of the foil detector for an infrared imaging video bolometer using a carbon evaporation technique (2016)
  • Author(s): K. Mukai, B.J. Peterson, S. Takayama and R. Sano
  • Journal Title: Review of Scientific Instruments Volume: 87 Pages: 11E124-1, 3
  • DOI: http://dx.doi.org/10.1063/1.4961280
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Modeling of helium transport and exhaust in the LHD edge (2016)
  • Author(s): A Bader, M Kobayashi, O Schmitz, A R Akerson, F Effenberg, H Frerichs, Y Feng, C C Hegna, K Ida and The LHD Experimental Group
  • Journal Title: Plasma Physics and Controlled Fusion Volume: 58 Pages: 124006-1,7
  • DOI: 10.1088/0741-3335/58/12/124006
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Enhancement of helium exhaust by resonant magnetic perturbation fields at LHD and TEXTOR (2016)
  • Author(s): O. Schmitz, K. Ida, M. Kobayashi, A. Bader, S. Brezinsek, T.E. Evans, H. Funaba, M. Goto, O. Mitarai, T. Morisaki, G. Motojima, Y. Nakamura, Y. Narushima, D. Nicolai, U. Samm, H. Tanaka, H. Yamada, M. Yoshinuma, Y. Xu and the TEXTOR and LHD Experiment Group
  • Journal Title: Nuclear Fusion Volume: 56 Pages: 106011-1,17
  • DOI: 10.1088/0029-5515/56/10/106011
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Presentation] "Effects of 3D edge magnetic field structure of the stochastic field on the divertor transport in LHD (2017)
  • Author(s): M. Kobayashi, S. Morita, T. Oishi, K. Ida, K. Itoh, Y. Feng, Z.Y. Cui, S. Dai, G. Kawamura, O. Schmitz, A. Bader, and the LHD experiment group
  • Organizer: 18th IEA International RFP Workshop
  • Place of Presentation: 繊維工芸大学、京都市
  • Year and Date: 2017-03-27 – 2017-03-29
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] LHDのストキャスティック磁場領域におけるデタッチメントの周辺輸送シミュレーション (2016)
  • Author(s): 小林政弘、H. Frerichs, 森田繁、増崎貴、B.J. Peterson, 向井清史, 田中宏彦、後藤基志、河村学思、小林汰輔、LHD実験グループ
  • Organizer: プラズマ・核融合学会年会
  • Place of Presentation: 東北大学青葉山キャンパス、仙台市
  • Year and Date: 2016-11-29 – 2016-12-02
• [Presentation] Observation of carbon impurity flow in the edge stochastic magnetic field layer of Large Helical Device and its impact on the edge impurity control (2016)
  • Author(s): T. Oishi, S. Morita, S. Dai, M. Kobayashi, G. Kawamura, X. L. Huang, H. M. Zhang, Y. Liu, M. Goto and the LHD Experiment group
  • Organizer: The 26th IAEA Fusion Energy Conference
  • Place of Presentation: 国立京都国際会館、京都市
  • Year and Date: 2016-10-17 – 2016-10-22
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Development of foil detector for infrared imaging video bolometer using carbon evaporation coating (2016)
  • Author(s): K. Mukai, B.J. Peterson, S. Takayama and R. Sano
  • Organizer: 21st Topical Conference on High-Temperature Plasma Diagnostics (HTPD 2016)
  • Place of Presentation: Madison, USA
  • Year and Date: 2016-06-05 – 2016-06-09
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 2D distribution of hydrogen/impurity radiation and flow formation in stochastic layer during detachment transition in LHD (2016)
  • Author(s): M. Kobayashi, S. Morita, and M. Goto
  • Organizer: The 22nd International Conference on Plasma Surface Interactions in Controlled Fusion Devices (22nd PSI)
  • Place of Presentation: ローマ、イタリア
  • Year and Date: 2016-05-30 – 2016-06-03
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Effect of Impurity Source Locations on Up-Down Asymmetry in Impurity Distributions in the Ergodic Layer of Large Helical Device (2016)
  • Author(s): Tetsutarou Oishi, Shigeru Morita, Xianli Huang, Hongming Zhang, Yang Liu, Shuyu Dai, Masahiro Kobayashi, Gakushi Kawamura, Motoshi Goto and the LHD Experiment Group
  • Organizer: The 22nd International Conference on Plasma Surface Interactions in Controlled Fusion Devices (22nd PSI)
  • Place of Presentation: ローマ、イタリア
  • Year and Date: 2016-05-30 – 2016-06-03
  • Int'l Joint Research