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

2019 Fiscal Year Annual Research Report

• 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 / 非誘導立ち上げ / トカマク炉

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、Ｏ波のEC吸収は弱いが、Ｘ波の吸収は大きく電流駆動効率も高い。炉工学的には弱磁場側からの入射が適しているが、電子温度が上昇しないと、Ｘ波は、サイクロトロン遮断層で反射され、吸収領域に到達できない。このことを考慮して、ITERにおいて、1keV(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法が有効であることを示した。
（1）初期プラズマにおいては弱磁場側からＯ波の斜め入射が有効である。Ｏ波は微弱なＥＣ吸収を受けるだけで、プラズマを突き抜け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、今度は強磁場側から吸収層に到達してＥＣ吸収され、プラズマ電流を駆動する(OX法)。
（2）プラズマ電流が40kA程度に上昇すると、初期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100eVより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効になる(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）プラズマ閉じ込めにＬモード則を適用した場合、DX法による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。DX法はランプアップ時の広いパラメータ範囲（電子温度0.01-20 keV, 密度1.0-3.0×10^19m^-3）において有効である。
以上が主な研究成果である。最終年度は、弱い外部垂直磁場下でのOX法による初期磁気面形成をより確実にするための外部誘導電場重畳の効果と、DX法によるプラズマ電流ランプアップ時において、EC吸収層をプラズマ中央部に確保するためのプラズマ水平位置制御法についての解析を行った。