2018 Fiscal Year Annual Research Report
Understanding of profile diversity and circulation of fuel particles in fusion plasmas
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17H01368
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| Research Institution | National Institute for Fusion Science |
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Principal Investigator |
山田 弘司 核融合科学研究所, ヘリカル研究部, 教授 (20200735)
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| Project Period (FY) |
2017-04-01 – 2021-03-31
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| Keywords | 水素同位体 / 粒子輸送 / 燃料循環 / 乱流輸送 / トリチウム / 密度分布 / 核融合原型炉 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究は制御熱核融合において燃料となる水素同位体、灰であるヘリウムおよび不純物の混合がもたらす粒子分布の多様性の起源を理解すること、それをもとに燃焼率の最大化を指標として燃料循環の最適化シナリオを提案することを目的としている。整備を進めた基幹となる二つの計測系に計画通りの進展があった。バルク電荷交換分光システムでは、バルクイオンと中性粒子ビームとの間の荷電交換反応によって放出されたHαおよびDα線のスペクトルを再現することによって、水素と重水素の高温成分の強度から水素と重水素の密度比の空間分布を得ることができた。マイクロ波ドップラー反射計では、新しく二つの周波数コムを用いて、乱流の半径方向相関長の観測が可能となり、軽水素プラズマに対し重水素プラズマにおいては相関長が短くなっていること、すなわち乱流構造が細分化していることを明らかにした。これらの整備した計測からの新しい知見を活かし、特に水素同位体、すなわち水素プラズマと重水素プラズマの輸送特性の異同を問う実験を大型ヘリカル装置(LHD)において行い、実験結果の解析を進めた。水素・重水素の比較から、広く受け入れられているイオンのジャイロ半径長の乱流スケールがもたらす輸送モデルを検証した。熱輸送に関しては電子系では水素放電で改善が認められ、モデルとの不一致が確認された。一方、粒子閉じ込めについては重水素放電において、やや劣化することが認められたことは、このモデルの予測する傾向と合致している。これらの実験研究と並行して、フローとストックの概念からなるシステムダイナミクス解析手法を整備し、原型炉を想定した核燃焼運転において、ヘリウム灰による燃料希釈やリサイクリングの影響を含めて、燃料トリチウム量の炉中での追跡を行う計算を可能とした。以上のこれらの研究実績に関する発表を国内学会、国際会議で行った。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
研究基盤となる実験環境のうち、バルク荷電交換分光とマイクロ波ドップラー反射計の高度化整備を進めた。研究実績の概要にあるように、この二つの計測器から新しい実験観測結果が得られつつある。バルク荷電交換分光では水素と重水素の密度比、およびヘリウムイオンの空間分布が決まった手順に沿って得られるまでに至っている。さらに、高い波長分解能を持たせる改良に着手しており、より精度の高い水素・重水素の分離が可能となることが見込まれる。マイクロ波ドップラー反射計では、フィルタの増強および高速サンプリングにより空間観測点を増やす改良を進めている。周波数スイープのシステムと周波数コムを組合せて運転する試みも実施しており、合わせて、時空間分解能の大きな改善が期待できる。実験では、真空容器壁の調整を図り、リサイクリングとガスパフの制御による場のプラズマの水素同位体純度を確保し、これに対して異なる水素同位体をペレットとして注入する実験手法の有効性が確認できてきた。平成30年度には、場が水素環境である状況で水素および重水素ペレットを入射する実験、言い換えれば水素プラズマ中での水素および重水素イオンの輸送を調べる実験を実施することができた。以上のようにLHDをプラットフォームとした実験研究の推進については当初の計画通りである。また、原型炉を想定した燃料循環のシステムダイナミクス解析もフローとストックの概念に基づいた手法開発を進めている。既に、燃焼プラズマのパワーバランスと燃料循環について燃料希釈とリサイクリングを含めて解析ができるところまで整備まで進んでいる。一方、研究目標の達成には付加的な部分ではあるが、国際協力で進めるドイツ・W7-X実験については、昨年度も報告したように実験計画の遅延により、当初計画からやや後退することは否めない。以上の点を勘案して、総合的におおむね順調と自己評価した。
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| Strategy for Future Research Activity |
この2年間の計画実施によって本研究課題の目標を見通すことができてきている。これらを反映・応用して、2019年10月から翌年2月にかけて予定されているLHDの実験期間中に水素・重水素比較実験を実施し、目標達成に向けて実験結果の解析を進める。特に、10月の実験開始前に以下を実施する。（１）ペレット入射装置については計画を満足できる性能を実現できているが、一方、既存設備に経年劣化が見られる。限られた実験時間を有効に行えるよう整備を進めるとともに、固体水素ペレット粒子数についての較正を行う。また溶発過程を高速で分光測定するための計測準備を行う。（２）荷電交換分光では、高い波長分解能を持つ新しい分光系を稼働させ、動作確認を行う。（３）ドップラー反射計では微細化した乱流構造を観測するための、周波数広帯域化や周波数スイープと周波数コムとの組合せなどの改良を継続する。また、平成30年度に実施した水素環境での水素・重水素ペレット入射実験の解析を進める。2019年度にはこの実験と相補的な重水素環境での実験を中心としつつ、昨年度の実験結果を拡充するための実験を遂行する。これらの実験からペレットの溶発および燃料供給効率、水素イオンと重水素イオンの分布および輸送特性とともに、乱流揺動の相関長の異同を評価する。原型炉における燃料循環のシステムダイナミクス解析においては、リサイクリング影響についての検討を進めるとともに、燃料水素同位体の輸送の違いおよびその比の制御を取り込めるよう手法の開発を進める。これらの実験およびシミュレーション研究の成果を国内外の学術会合で発表することによって議論を深めるとともに、大規模ジャイロ運動論シミュレーション、統合シミュレーション、炉設計、W7-X実験との比較および反映などの観点から関係者と議論を行うことによって、今後のまとめに向けた収束と新たな展開について検討する。
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[Journal Article] The isotope effect on impurities and bulk ion particle transport in the Large Helical Device2019
Author(s)
K. Ida, R. Sakamoto , M. Yoshinuma, K. Yamazaki, T. Kobayashi , Y. Fujiwara, C. Suzuki , K. Fuji , J. Chen , I. Murakami, M. Emoto, R. Mackenbach, H. Yamada et al.
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Journal Title
Nuclear Fusion
Volume: 59
Pages: 056029
DOI
Peer Reviewed / Int'l Joint Research
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