2019 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 | The University of Tokyo |
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Principal Investigator |
山田 弘司 東京大学, 大学院新領域創成科学研究科, 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よる実験観測・解析と原型炉におけるトリチウム燃料循環のシステムダイナミクス解析に進展があった。バルク電荷交換分光システムでは、核融合プラズマ中の燃料粒子である水素同位体の多様性を調べるために、大型ヘリカル装置(LHD)にて水素と重水素の密度の空間分布計測を行った。水素と重水素の密度分布が等しくなり同位体密度比が空間均一になる混合状態と空間不均一になる非混合状態の観測に成功した。これらの状態間の遷移の原因が乱流状態の遷移であることを明らかにした。粒子輸送だけでなく熱輸送においても同位体効果も相補的に比較検討を進めた．マイクロ波ドップラー反射計では、乱流の半径方向相関長の高精度計測のため、マイクロ波回路を改良し空間点を増大させ空間分解能を向上させた。これらの改良により軽水素プラズマと重水素プラズマでの乱流相関長比較データベースが拡充できた。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によって，実験からの知見をもとに，燃料トリチウム循環のシミュレーションを行った．ここでは，特にトリチウム資源確保が難しい点から重水素のみによる立ち上げに注目し，様々な運転条件による定常運転までに要する期間，得られる核融合出力，トリチウムインベントリー量などに対する効果を調査した．原型炉の燃焼率は数％に留まるため，燃焼せずに排気されるトリチウムの再供給までの時間を短縮することが評価の鍵となることが示された．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
進捗状況はおおむね順調に進展していると考えられる．令和元年度の終盤より新型コロナウィルス感染症の流行により、計画していた日本物理学会での成果発表および情報収集ができなくなった．このため，この計画は令和２年度に繰り延べることとなった．一方，全体としては計画に沿って研究を進めることができた．研究基盤となる実験環境のうち、バルク荷電交換分光については整備が終わり，実験観測による解析が進んでいる．マイクロ波ドップラー反射計については分解能の向上を図った．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を実験観測から得る手順が確立された．これによって，ガスや固体水素ペレット入射による燃料供給および壁状態を水素・重水素を分けて設定した多様な組み合わせで，密度や加熱パワーなどのプラズマパラメータを変化させた広範なデータを得ることができている．マイクロ波ドップラー反射計については，密度揺動構造を同定できる場所がこれまでのところ，プラズマ周辺部に限られている．プラズマ内部にまで空間分解能を持った観測を可能とする改善を進めている．一方，ガスによる燃料供給の場合，周辺密度分布に同位体（水素と重水素）による差異が同定されており，現状での密度揺動観測に意義が見いだせると考えている．このため，密度勾配，密度揺動，粒子源の相関を調べている．原型炉を想定したトリチウム燃料循環のシステムダイナミクス解析については手法の整備が終わり，運転パラメータの変化の効果を系統的に調べ始めている．。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、実験計画自体の遅延により、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 |
これまでの研究計画の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。LHDにおいて整備した計測機器を活用して，水素同位体およびヘリウムの粒子輸送に関わる多様で広範な実験研究を進める．特に，バルク荷電交換分光によって，水素同位体イオンの混合状態だけでなく，核融合反応の灰であるヘリウムとバルクイオンに関する状態間遷移の研究を行う計画である。これらのイオン別の密度分布の形状および固体水素ペレット入射による密度の過渡変化から，粒子閉じ込め時間および粒子輸送における同位体効果を詳しく解析する．さらに，これらの粒子閉じ込め・輸送の特性をエネルギー閉じ込め・熱輸送と比較し，同位体効果の現れ様の異同について議論する．また，マイクロ波ドップラー反射計では，より短波長の乱流の観測も同時に行い、プラズマ中の多スケール間の乱流構造とこれらの密度分布形状との相関を明らかにすることを目指す。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、燃料トリチウムおよびヘリウム灰の壁リサイクリングや壁への浸透の影響についての検討を進めるとともに、排気された燃料を短時間で再燃料供給するダイレクトリサイクリングの効果およびトリチウム燃料の初期装荷の効果についても定量的に評価していく．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、理論，、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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[Journal Article] Isotope effect on energy confinement time and thermal transport in neutral-beam-heated stellarator-heliotron plasmas2019
Author(s)
H. Yamada, K. Tanaka, R. Seki, C. Suzuki, K. Ida, K. Fujii, M. Goto, S. Murakami, M. Osakabe, T. Tokuzawa, M. Yokoyama, M. Yoshinuma
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Journal Title
Physical Review Letters
Volume: 123
Pages: 185001
DOI
Peer Reviewed
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