2017 Fiscal Year Research-status Report

Non inductive buildup of keV plasma using X-wave in fusion tokamak

Research Project

Project/Area Number	17K06992
Research Institution	Kyoto University
Principal Investigator	前川孝京都大学, エネルギー科学研究科, 名誉教授 (20127137)
Co-Investigator(Kenkyū-buntansha)	田中仁京都大学, エネルギー科学研究科, 教授 (90183863) 打田正樹京都大学, エネルギー科学研究科, 准教授 (90322164)
Project Period (FY)	2017-04-01 – 2020-03-31
Keywords	電子サイクロトロン加熱・電流駆動 / トカマク炉 / 非誘導立ち上げ
Outline of Annual Research Achievements	放電起動時の初期プラズマは低温低密度であり、正常波モードの波動（Ｏ波）の電子サイクロトロン（ＥＣ）吸収は弱く、有用でない。一方、異常波モード（Ｘ波）の吸収は極めて大きく、電流駆動効率も高くて有用である。炉工学的には、ＥＣ加熱電流駆動（ＥＣＨ／ＥＣＣＤ）のための波動は弱磁場側からの入射に限られるが、電子温度Teが１００ｅＶ程度に上昇しないと、弱磁場側からのＸ波は、サイクロトロン遮断層で反射され、ＥＣ吸収領域に到達できない。このことを考慮して、Ｘ波による電子温度がkeV(1千万度)領域のプラズマの非誘導初期形成のための以下の方策を提案した。（１）磁気面形成に至る前の温度が１００ｅＶに満たない開磁場段階のプラズマにおいては弱磁場側からＯ波の斜め入射が有用である。Ｏ波は極微弱なＥＣ吸収を受けるだけで、ほとんどの入射電力が内側容器壁に到達して反射される。反射に際して大部分がＸ波にモード変換され、強磁場側から、吸収層に到達してＥＣ吸収される（ＯＸ法）。（２）ＥＣ電流駆動によりトロイダル電流が４０ｋＡ程度に上昇すると、磁気面が形成され閉じ込めの良いトカマク段階に至り、電子温度も１００ｋｅＶより十分高くなると期待でき、弱磁場側からのＸ波の斜め直接入射が有用になる（ＤＸ法）。すなわち、電子密度が1x10^19m^-3程度に抑えられていれば、Ｘ波はサイクロトロン遮断層に至る前にドップラー効果によりＥＣ吸収される。（３）過去の実験結果と理論解析により初期磁気面形成に最適な外部垂直磁場Ｂｖが５０ガウス程度であると推論した。（４）プラズマ閉じ込めにＬモード則を適用した場合、４ＭＷの入射電力でトロイダル電流が２００ｋＡ、電子密度が1.2x10^19m^-3,　電子温度が２ｋｅＶのプラズマの非誘導形成が期待できることを示した。
Current Status of Research Progress	Current Status of Research Progress 1: Research has progressed more than it was originally planned. Reason （１）ＯＸ法、ＤＸ法の両者についてＥＣ波動の伝播と吸収について、電子の速度分布が熱分布（マックスウェル分布）の場合について、線形理論の範囲で明らかにし、計算コードを完成させ、ＩＴＥＲの場合について、周波数、入射電力、プラズマ発展段階に応じたＯＸ法とＤＸ法の選択など、具体的な案を提案した。（２）駆動電流の推定については、捕捉電子効果を考慮した、アジョイント法を採用し、上記（１）の解析に適用し、たとえば、電子密度が1.2x10^19m^-3,　電子温度が２ｋｅＶのプラズマでは１MWの入射電力で６３ｋAのトロイダル電流が駆動されることを示した。（３）上記の解析にＬモード閉じ込め則を組み込む方法を見出した。（４）外部垂直磁場は、初期磁気面形成において、複数の効果を持つことを理論的に見出し、過去のＫＳＴＡＲでの立ち上げ実験結果と合わせて、ＩＴＥＲの初期磁気面形成においては５０ガウス程度の外部垂直磁場が適していることを提案した。（５）以上を纏めて論文発表した。
Strategy for Future Research Activity	（１）JT60SA、KSTAR実験へのOX法とDX法の具体案を作成する。JT60SA、KSTARではトロイダル磁場強度がITERの半分で周波数も８０－100GHz（ITERでは１７０－２００GHｚ）となり、DX法の場合、密度制限がきびしくなるので、何らかの工夫が必要になる。（２）電子温度が１０keV程度のランプアッププラズマにおけるX波ECH/ECCDの有用性を、線形理論を用いて解析する。この領域は従来Ｏ波しか考慮されていない。波動の偏波、吸収、電流駆動について完全に相対論的な取扱いが必要になる。（３）簡単な見積もりにより、ＩＴＥＲの立ち上げプラズマではＭＷレベルの入射電力の場合線形計算が有効であると推測できるが、入射電力が１０ＭＷを超える場合は、これが定かではなく、フォッカープランクコード用いた検証が望ましい。その準備を進める。