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

2018 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: 3次元不純物発光分布 / ダイバータ / 放射冷却 / 不純物輸送

Outline of Annual Research Achievements

平成30年度の研究実績は以下の通りである。
１．新たに開発したトモグラフィー手法を用いて炭素不純物の3次元発光分布を得た。この結果、低荷数（C1+）の炭素はおもにダイバータレグ（ダイバータ板近傍）とストキャスティック磁場領域にわたって発光が分布していること、また、荷数が上がるにつれて（C2+, C3+）ダイバータレグでの発光は無くなり、より上流のX点とストキャスティック領域で発光が起こっていることがわかった。プラズマの密度を上げると、これらの発光はプラズマの閉じ込め領域の方向にシフトすることが明らかになった。
２．ダイバータ板へのプラズマ粒子負荷の空間分布を調べた結果、外部摂動磁場を印加すると、摂動磁場のモード数に対応した形で粒子負荷の増加と減少が見られた。放射損失が増大してプラズマがダイバータ非接触状態に遷移すると、粒子束は全体として減少しつつ、その空間分布構造はトロイダル方向に36°移動することがわかった。ダイバータ板に接続する磁力線構造と比較したところ、長い磁力線が接続する箇所でより強い粒子負荷があり、摂動磁場を印加することによって、この磁力線の分布が変化することで上記のような分布の変動が起こっていると考えられる。
３．不純物の発光・流れ分布の計測結果と3次元数値シミュレーションとの比較を進めた。その結果、発光分布については、不純物がダイバータ板から射出される時のエネルギーを、当初の予想よりも大きくすると実験とよい一致が見られることがわかった。一方、実験で観測された流れの向きについてはシミュレーションで再現されるが、流れ速度の絶対値についてはシミュレーションの結果は実験よりも大きな値となることがわかった。
以上の結果から、3次元磁力線構造と放射損失分布、ダイバータ粒子・熱負荷分布の関係について理解が進展した。この他、ダイバータ熱負荷計測用の赤外線カメラの設置を行った。

Research Progress Status

平成30年度が最終年度であるため、記入しない。

Strategy for Future Research Activity

平成30年度が最終年度であるため、記入しない。

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] マックスプランク研究所/ユーリッヒ研究所(ドイツ)
  • Country Name: GERMANY
  • Counterpart Institution: マックスプランク研究所/ユーリッヒ研究所
• [Int'l Joint Research] Dalian University of Technology/西南物理研究所/中国科学院合肥物質科学研究所(中国)
  • Country Name: CHINA
  • Counterpart Institution: Dalian University of Technology/西南物理研究所/中国科学院合肥物質科学研究所
• [Journal Article] Analysis of indefinite divertor footprint with proper orthogonal decomposition in hydrogen/deuterium plasmas in LHD (2019)
  • Author(s): Tanaka H.、Masuzaki S.、Kawamura G.、Kobayashi M.、Suzuki Y.、Morisaki T.、Ohno N.
  • Journal Title: Nuclear Materials and Energy Volume: 19 Pages: 378～383
  • DOI: https://doi.org/10.1016/j.nme.2019.03.014
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Spectroscopic studies on the enhanced radiation with high Z rare gas seeding for mitigating divertor heat loads in LHD plasmas (2019)
  • Author(s): Suzuki C.、Mukai K.、Masuzaki S.、Kobayashi M.、Peterson B.J.、Akiyama T.、Murakami I.
  • Journal Title: Nuclear Materials and Energy Volume: 19 Pages: 195～199
  • DOI: https://doi.org/10.1016/j.nme.2019.02.039
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Effects of drifts on divertor plasma transport in LHD (2019)
  • Author(s): Masuzaki S、Tanaka H、Kobayashi M、Kawamura G
  • Journal Title: Nuclear Materials and Energy Volume: 18 Pages: 281～284
  • DOI: https://doi.org/10.1016/j.nme.2019.01.009
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Three dimensional distribution of impurity emission in the edge region of LHD obtained by single field-of-view tomography (2019)
  • Author(s): Kobayashi Taisuke、Kobayashi Masahiro、Iwama Naofumi、Kuzmin Arseniy、Goto Motoshi、Kawamura Gakushi
  • Journal Title: Nuclear Materials and Energy Volume: 19 Pages: 239～243
  • DOI: https://doi.org/10.1016/j.nme.2019.02.015
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Analysis of the impurity flow velocity in a wide plasma parameter range for deuterium and hydrogen plasmas in the divertor legs of the stochastic layer in LHD (2018)
  • Author(s): Kuzmin A.、Kobayashi M.、Nakano T.、Kawamura G.、Hasuo M.、Fujii K.、Morisaki T.
  • Journal Title: Nuclear Materials and Energy Volume: 17 Pages: 217～221
  • DOI: https://doi.org/10.1016/j.nme.2018.11.009
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Single field-of-view tomographic imaging of 3D impurity emission distribution in magnetized edge plasma of LHD (2018)
  • Author(s): Kobayashi Taisuke、Kobayashi Masahiro、Iwama Naofumi、Kuzmin Arseniy、Goto Motoshi、Kawamura Gakushi
  • Journal Title: Review of Scientific Instruments Volume: 89 Pages: 123502～123502
  • DOI: https://doi.org/10.1063/1.5048218
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Core plasma confinement during detachment transition with RMP application in LHD (2018)
  • Author(s): Kobayashi M.、Masuzaki S.、Tanaka K.、Tokuzawa T.、Yokoyama M.、Narushima Y.、Yamada I.、Ido T.、Seki R.
  • Journal Title: Nuclear Materials and Energy Volume: 17 Pages: 137～141
  • DOI: https://doi.org/10.1016/j.nme.2018.10.003
  • Peer Reviewed
• [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): Dai S.Y.、Oishi T.、Kawamura G.、Kobayashi M.、Morita S.、Feng Y.、Wang D.Z.
  • Journal Title: Nuclear Fusion Volume: 58 Pages: 096024～096024
  • DOI: https://doi.org/10.1088/1741-4326/aace69
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Presentation] LHDにおける周辺輸送シミュレーションと実験データの解釈 (2019)
  • Author(s): 小林政弘
  • Organizer: 第22回若手科学者によるプラズマ研究会
  • Invited
• [Presentation] Radiation control and core transport in detached phase with RMP application in LHD (2018)
  • Author(s): M. Kobayashi, S. Masuzaki, M. Yokoyama, K. Tanaka, T. Ido, Y. Narushima, I. Yamada, and the LHD Experimental Group
  • Organizer: 18th Coordinated Working Group Meeting
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Change of confinement mode during detachment transition with RMP application in LHD (2018)
  • Author(s): M. Kobayashi, S. Masuzaki, M. Yokoyama, K. Tanaka, T. Ido, Y. Narushima, T. Tokuzawa, I. Yamada, and the LHD Experimental Group
  • Organizer: Interna5onal Conference on Plasma-Surface Interac5ons in Controlled Fusion Devices
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Core transport improvement in stable detachment with RMP application to the edge stochastic layer of LHD (2018)
  • Author(s): M. Kobayashi, S. Masuzaki, M. Yokoyama, K. Tanaka, T. Ido, Y. Narushima, T. Tokuzawa, I. Yamada, and the LHD Experimental Group
  • Organizer: 第12回核融合エネルギー連合講演会
• [Presentation] Core plasma transport during divertor detachment stabilized with RMP application in LHD (2018)
  • Author(s): M. Kobayashi, S. Masuzaki, R. Seki, K. Tanaka, T. Tokuzawa, S. Morita, M. Yokoyama, T. Ido, Y. Narushima, I. Yamada, and the LHD Experimental group
  • Organizer: 日本物理学会2018年秋季大会
• [Presentation] CORE TRANSPORT IMPROVEMENT IN STABLE DETACHMENT WITH RMP APPLICATION TO THE EDGE STOCHASTIC LAYER OF LHD (2018)
  • Author(s): M. Kobayashi, S. Masuzaki, R. Seki, K. Tanaka, T. Tokuzawa, S. Morita, M. Yokoyama, T. Ido, Y. Narushima, I. Yamada, and the LHD Experimental group
  • Organizer: 27th IAEA Fusion Energy Conference - IAEA CN-258
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Helium and carbon collisional-radiative models for evaluation of plasma parameters in stochastic layer of LHD (2018)
  • Author(s): Arseniy Kuzmin, Masahiro Kobayashi, Tomohide Nakano, Masahiro Hasuo, Keisuke Fujii, Motoshi Goto, Taiichi Shikama, Tomohiro Morisaki
  • Organizer: The 27th International Toki Conference on Plasma and Fusion Research
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Effects of stochastic magnetic field structure on edge impurity emission distribution in LHD (2018)
  • Author(s): T. Kobayashi, M. Kobayashi, A. Kuzmin, M. Goto, H. Tanaka, G. Kawamura, T. Nakano, B. Peterson, N. Iwama, S. Morita, LHD experiment group
  • Organizer: Interna5onal Conference on Plasma-Surface Interac5ons in Controlled Fusion Devices
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Measurements of the impurity flow velocity and temperature in a wide plasma parameter range for Deuterium and Hydrogen plasmas in the divertor legs of the stochastic layer in LHD (2018)
  • Author(s): A. Kuzmin, M. Kobayashi, T. Nakano, M. Hasuo, K. Fujii, M. Goto, T. Shikama, T. Morisaki and the LHD Experiment Group
  • Organizer: Interna5onal Conference on Plasma-Surface Interac5ons in Controlled Fusion Devices
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Comparison of 3D distribution of impurity emission obtained by single field-of-view tomography with 3D edge transport code EMC3-EIRENE in the large helical device (2018)
  • Author(s): T. Kobayashi, M. Kobayashi, A. Kuzmin, M. Goto, H. Tanaka, G. Kawamura, T. Nakano, B. Peterson, N. Iwama, S. Morita, LHD experiment group
  • Organizer: The 27th International Toki Conference on Plasma and Fusion Research
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] LHDにおけるRMP磁場印加によって安定化されたデタッチメント運転とコアプラズマ輸送の関係 (2018)
  • Author(s): M. Kobayashi, S. Masuzaki, R. Seki, S. Morita, K. Tanaka, T. Tokuzawa, M. Yokoyama, T. Ido, Y. Narushima, I. Yamada, and the LHD Experimental group
  • Organizer: 第35回 プラズマ・核融合学会 年会
• [Presentation] トモグラフィー解析による不純物の三次元発光強度分布と輸送コードEMC3-EIRENEの比較 (2018)
  • Author(s): 小林 汰輔, 小林 政弘, 岩間 尚文, クズミン アルセニー, 後藤 基志, 河村 学思, LHD実験グループ
  • Organizer: 第35回 プラズマ・核融合学会 年会
• [Presentation] Investigation of hydrogen molecules characteristics in the edge plasma of LHD (2018)
  • Author(s): Kuzmin Arseniy, 小林 政弘, 蓮尾 昌裕, 四竈 泰一, 仲野 友英, 藤井 恵介, 森崎 友宏
  • Organizer: 第35回 プラズマ・核融合学会 年会