3D effects of magnetic topology on edge plasma radiation enhancement and divertor power load reduction

2017 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・輸送 / ダイバータ / 放射冷却

Outline of Annual Research Achievements

磁場閉じ込め核融合実験装置LHDにおいて、摂動磁場を印加したとき、周辺部での放射損失およびダイバータ熱負荷への影響について調べた。今年度の成果の概要は以下の通りである。
1. 摂動磁場強度の増加に伴い、デタッチメント遷移する密度閾値が下がることが明らかになった。一方で、放射損失の量およびダイバータへの粒子束の減少の度合いについては、摂動磁場強度にほとんど依存しないことがわかった。この結果は予想と違うものであり、その原因としてプラズマの応答による摂動磁場の増幅が考えられるが、詳細については現在のところ不明である。
2. 不純物の発光分布について、磁場配位、プラズマパラメータを変化させた場合の系統的なデータ収集を行った。周辺部のストキャスティック磁場領域が広くなるにつれて、発光分布が空間的に広がり、また高荷数の発光強度が減少することがわかった。さらに詳細な磁場構造との比較を行うためにトモグラフィー解析の手法の開発をおこなった。今後この手法を用いて磁場構造との詳細な比較を進める。
3. 不純物スペクトルのドップラーシフトから不純物のフロー速度について評価を行った。すべての密度領域で不純物はダイバータに向かって約20km/sの速度で流れていること、およびその速度はプラズマ密度の増加とともに微増することがわかった。また、重水素プラズマの場合には軽水素プラズマに比べて速度が1.4～2倍ほど遅いことがわかった。これは現行の輸送モデルから、水素同位体の重量比に起因するものであると考察される。また、低密度領域では現行のモデル予想と違う振る舞いを見せており、モデルの修正が必要であることが示唆された。
これらの成果は磁場閉じ込め装置における周辺部磁場構造と放射損失、不純物輸送の関係を解明するうえで重要な基礎データであり、今後の数値シミュレーションとの比較による現行モデルの検証に十分なデータが得られた。

Current Status of Research Progress

3: Progress in research has been slightly delayed.

Reason

実験の遂行と系統的なデータ収集はほぼ順調に進んでいるが、データ解析についてはそのデータ量が多く、また解析手法が多岐にわたるため、多くの時間が必要となっている。このため、数値シミュレーションとの比較が若干遅れ気味である。

Strategy for Future Research Activity

これまでに得られた実験データと数値シミュレーションと比較を更に進めて現行の輸送モデルの検証を行う。特に、モデルのフリーパラメータである輸送係数についてスキャンを行い、実験を最も良く再現できるパラメータ領域を探索する。
昨年度までに磁化プラズマに特化したトモグラフィー解析手法を開発した。これを用いて3次元磁場構造と不純物発光分布との詳細な比較を行う。
ダイバータ熱負荷分布と発光分布の関係について解析をすすめる。これまで、ダイバータ熱負荷計測用のプローブデータ解析プログラムの整備を行ってきており、今後、解析のスピードアップが期待される。
また、これまでの系統的な実験で、摂動磁場を印加してデタッチメント遷移した後の放射損失量・ダイバータの熱負荷（粒子負荷）の減少量が摂動磁場の強度にほとんど依存せず一定の値をとることがわかった。今後、プラズマ応答の磁気計測データの解析をすすめることでその原因を追究する。
これまでの解析は炭素不純物に限られてるが、今後他の不純物種（ネオン、アルゴン、クリプトンなど）についても可能な限り実験と解析を行う。

Research Products

• [Int'l Joint Research] ウィスコンシン大学/Oak Ridge National Laboratory(米国)
  • Country Name: U.S.A.
  • Counterpart Institution: ウィスコンシン大学/Oak Ridge National Laboratory
• [Int'l Joint Research] マックスプランク研究所(ドイツ)
  • Country Name: GERMANY
  • Counterpart Institution: マックスプランク研究所
• [Int'l Joint Research] Dalian University of Technology(中国)
  • Country Name: CHINA
  • Counterpart Institution: Dalian University of Technology
• [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 and the LHD Experiment Group
  • Journal Title: Nucl. Fusion Volume: 58 Pages: 016040-
  • DOI: 10.1088/1741-4326/aa8f63
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Vertical profiles and two-dimensional distributions of carbon line emissions from C2+-C5+ ions in attached and RMP-assisted detached plasmas of large helical device (2017)
  • Author(s): Hongming Zhang, Shigeru Morita, Shuyu Dai, Tetsutarou Oishi, Motoshi Goto, Xianli Huang, Gakushi Kawamura, Masahiro Kobayashi, Yang Liu, Izumi Murakami, Yoshiro Narushima, and LHD Experimental Group
  • Journal Title: Physics of Plasmas Volume: 24 Pages: 022510-
  • DOI: 10.1063/1.4976989
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Toroidally symmetric/asymmetric effect on the divertor flux due to neon/nitrogen seeding in LHD (2017)
  • Author(s): Tanaka, H. Kawamura, G. Masuzaki, S. Kobayashi, M. Akiyama, T. Peterson, B. J. Mukai, K. Sano, R. Dai, S. Y. Sakamoto, R. Morisaki, T. Ohno, N.
  • Journal Title: Nuclear Materials and Energy Volume: 12 Pages: 241-246
  • DOI: 10.1016/j.nme.2016.12.020
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Investigation of heat flux deposition on divertor target on the Large Helical Device with EMC3-EIRENE modelling (2017)
  • Author(s): Shuyu, Dai M. Kobayashi G. Kawamura S. Masuzaki H. Tanaka Y. Suzuki Y. Feng D. Z. Wang the, L. H. D. Experimental Group
  • Journal Title: Plasma Physics and Controlled Fusion Volume: 59 Pages: 085013-
  • DOI: 10.1088/1361-6587/aa7599
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] A comprehensive study on impurity behavior in LHD long pulse discharges (2017)
  • Author(s): Nakamura, Y. Tamura, N. Kobayashi, M. Yoshimura, S. Suzuki, C. Yoshinuma, M. Goto, M. Motojima, G. Nagaoka, K. Tanaka, K. Sakamoto, R. Peterson, B. J. Ida, K. Osakabe, M. Morisaki, T.
  • Journal Title: Nuclear Materials and Energy Volume: 12 Pages: 124-132
  • DOI: 10.1016/j.nme.2016.11.005
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Monte-Carlo fluid approaches to detached plasmas in non-axisymmetric divertor configurations (2017)
  • Author(s): Y. Feng H. Frerichs M. Kobayashi D. Reiter
  • Journal Title: Plasma Physics and Controlled Fusion Volume: 59 Pages: 034006-
  • DOI: 10.1088/1361-6587/59/3/034006
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Effects of varying stochastic layer on edge plasma and impurity transport in 3D EMC3-EIRENE simulations of LHD (2017)
  • Author(s): Dai, Shuyu Kobayashi, M. Kawamura, G. Shi, Q. Feng, Y. Wang, D. Z.
  • Journal Title: Fusion Engineering and Design Volume: 125 Pages: 625-630
  • DOI: 10.1016/j.fusengdes.2017.04.088
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Effect of 3D magnetic perturbations on divertor conditions and detachment in tokamak and stellarator (2017)
  • Author(s): J. W. Ahn A. R. Briesemester M. Kobayashi J. D. Lore O. Schmitz A. Diallo T. K. Gray C. J. Lasnier B. P. LeBlanc R. Maingi A. G. McLean S. A. Sabbagh V. A. Soukhanovskii
  • Journal Title: Plasma Physics and Controlled Fusion Volume: 59 Pages: 084002-
  • DOI: 10.1088/1361-6587/aa73ea
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Presentation] Edge transport and plasma-wall interactions on LHD (2017)
  • Author(s): M. Kobayashi, T. Kobayashi, S. Masuzaki1, T. Oishi, S. Morita, B.J. Peterson, K. Mukai, C. Suzuki, H. Tanaka, G. Motojima, G. Kawamura, R. Sakamoto, T. Morisaki, and The LHD experiment group
  • Organizer: 643rd Wilhelm and Else Heraeus Seminar on “Impact of 3D magnetic fields on hot plasmas”
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Divertor detachment in LHD with edge stochastic layer and comparison with 3D numerical simulations (2017)
  • Author(s): M. Kobayashi, T. Kobayashi, S. Masuzaki1, T. Oishi, S. Morita, B.J. Peterson, K. Mukai, C. Suzuki, H. Tanaka, G. Motojima, G. Kawamura, R. Sakamoto, T. Morisaki, and The LHD experiment group
  • Organizer: 7th APTWG2017 International Conference
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Temporal evolution of edge Te and ne profiles during detachment transition with and without RMP application in edge stochastic layer of LHD (2017)
  • Author(s): M. Kobayashi
  • Organizer: 16th International Workshop on Plasma Edge Theory in Fusion Devices
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Development of spectroscopy system for study of edge impurity/hydrogen emission in relation to magnetic field structure and divertor power load distribution in LHD (2017)
  • Author(s): M. Kobayashi T. Kobayashi, A. Kuzmin, S. Masuzaki, M. Hasuo, K. Fujii, T. Nakano, H. Tanaka, G. Kawamura, K. Sawada, S. Morita, M. Goto, T. Morisaki, and the LHD experiment group
  • Organizer: The 21st International Stellarator/Heliotron Workshop
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Edge radiation control in stochastic magnetic field and with RMP application in LHD (2017)
  • Author(s): M. Kobayashi, S. Masuzaki, S. Morita, H. Tanaka, B.J. Peterson, Y. Narushima, K. Mukai, T. Kobayashi, and the LHD experimental group
  • Organizer: 2nd IAEA Technical Meeting on Divertor Concepts
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Development of spectroscopy system for study of edge impurity emission and transport in relation to divertor power load distribution in LHD (2017)
  • Author(s): M. Kobayashi T. Kobayashi, A. Kuzmin, S. Masuzaki, M. Hasuo, K. Fujii, T. Nakano, H. Tanaka, G. Kawamura, K. Sawada, S. Morita, M. Goto, T. Morisaki, and the LHD experiment group
  • Organizer: ＰｌａｓｍａＣｏｎｆｅｒｅｎｃｅ２０１７
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Multivariable data analysis for characterizing the divertor footprint profile in the LHD heliotron (2017)
  • Author(s): H. Tanaka, S. Masuzaki, M. Kobayashi, G. Kawamura, G. Motojima, T. Murase, R. Sakamoto, T. Morisaki, N. Ohno, and LHD Experiment Group
  • Organizer: 21st International Stellarator-Heliotron Workshop (ISHW2017)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Modeling study on three-dimensional impurity transport in impurity-seeded LHD plasma (2017)
  • Author(s): G. Kawamura , K. Mukai, B. Peterson, H. Tanaka, S. Dai, M. Kobayashi, S. Masuzaki, Y. Suzuki, Y. Feng and the LHD experiment group
  • Organizer: 21st International Stellarator-Heliotron Workshop (ISHW2017)
  • Int'l Joint Research