高密度プラズマ輸送解析に向けた電子バーンスタイン放射計測に関する研究

2018 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 18H01199
• Research Institution: Kyoto University
• Principal Investigator: 長崎 百伸 京都大学, エネルギー理工学研究所, 教授 (20237506)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 伊神 弘恵 核融合科学研究所, ヘリカル研究部, 准教授 (10390634)
• Project Period (FY): 2018-04-01 – 2022-03-31
• Keywords: 電子バーンスタイン波 / 電子温度計測

Outline of Annual Research Achievements

高密度核融合プラズマにおけるエネルギー閉じ込めの物理機構を解明するためには、炉心領域での詳細な分布計測による輸送解析が必要不可欠である。電子サイクロトロン波を用いた従来の電磁波計測では、カットオフ密度と呼ばれる密度上限が存在するため、カットオフ密度以上のプラズマ（オーバーデンスプラズマ）での電子温度分布計測が困難となっている。近年、電子バーンスタイン波放射（EBE）計測システムを開発し、LHD、Heliotron J装置においてオーバーデンスプラズマでの有意なEBE検出に成功した。しかしながら、EBEが得られるモード変換過程は未解明のままであり、計測システムへの適用を妨げている。本研究の目的は、EBEと電磁波間のモード変換過程を実験的に明らかにするとともに、高密度エネルギー閉じ込め改善時の熱輸送解析によってEBE計測の有用性を示すことである。
平成30年度は、これまで開発してきたEBE計測用ヘテロダイン・ラジオメータの動作実績を基盤とし、分布計測のため検出チャンネル数を8チャンネルから16チャンネルに向上させた。Ka-band（26-42GHz）マイクロ波を中間周波数信号へ変換し、パワー分割器、帯域通過フィルタを新たに導入し16チャンネルに分割、RF検出器によって検出するシステムとした。ノイズソースを用いてシステムの動作確認を行い、全チャンネルが正常に動作していることを確認した。空間分解能は1cmで、磁気軸から最外殻磁気面までの閉じ込め領域をほぼカバー（r/a=0.0-0.95）する。Heliotron J、LHD装置への適用を行い、初期データとしてオーバーデンスプラズマでの信号の有意な上昇が得られている。

Current Status of Research Progress

2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.

Reason

当初の予定通り、EBE計測用のマルチチャンネルラジオメータを設計・構築し、詳細な電子温度分布が得られるようチャンネル数を増強した。ノイズソースを用いた動作確認も行い、相対感度構成データを取得できている。プラズマ実験への適用まで進み、初期データが得られていることから、概ね順調に進展していると判断した。平成31年3月に開催された日本物理学会において、本研究の進捗状況についての講演を行った。

Strategy for Future Research Activity

EBEは直接測定できないものの、3次元磁場構造を考慮に入れたレイトレーシング計算コードの結果から放射・変換過程について理論的な特定を行うことが可能である。この理論計算と実験での磁場強度制御によるEBE周波数スペクトルの変化から、共鳴放射のドップラーシフト効果、衝突減衰による非共鳴放射について解析する。また、非線形相互作用を介した低域混成波の励起を既存の2.45GHzアンテナ系を用いて計測し、BXモード変換を評価する。XOモード変換については、加熱・電流駆動用アンテナ系を活用することでモード変換「窓」位置を特定し、準光学近似を用いた線形解析の適用性と限界を明らかにする。
Heliotron J装置では、高強度ガスパフ粒子補給によりH-mode遷移といったエネルギー閉じ込め改善が観測されている。高密度領域における電子温度分布をEBEを用いて計測し、熱輸送解析からエネルギー閉じ込め特性と局所輸送との関連性を調べる。特に、周辺領域への粒子補給の効果が如何にコアプラズマへと伝搬してゆくのか、非拡散現象も視野に入れつつ、ラジオメータシステムの長所である高時間分解能（1μsec）を利用して径方向輸送を解析する。LHD装置への適用も進め、オーバーデンスプラズマでの電子温度分布計測を行う。

Research Products

• [Int'l Joint Research] Columbia University(米国)
  • Country Name: U.S.A.
  • Counterpart Institution: Columbia University
• [Int'l Joint Research] Max-Planck Institute for Plasma Physics(ドイツ)
  • Country Name: GERMANY
  • Counterpart Institution: Max-Planck Institute for Plasma Physics
• [Int'l Joint Research] Southwestern Institute of Physics(中国)
  • Country Name: CHINA
  • Counterpart Institution: Southwestern Institute of Physics
• [Journal Article] Development of a correlation ECE radiometer for electron temperature fluctuation measurements in Heliotron J (2019)
  • Author(s): Gavin M. Weir, Kazunobu Nagasaki, Jinxiang Zhu, Maoyuan Luo, Hiroyuki Okada, Takashi Minami, Shinichiro Kado, Shinji Kobayashi, Satoshi Yamamoto, Shinsuke Ohshima, Shigeru Konoshima, Yuji Nakamura, Akihiro Ishizawa, Xiang-xun Lu, Linge Zang, Nikolai Marushchenko, Yasuo Yoshimura and Tohru Mizuuchi
  • Journal Title: EPJ Web of Conferences Volume: 203 Pages: 03013
  • DOI: https://doi.org/10.1051/epjconf/201920303013
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Measurement of Stray Millimeter-wave Radiation from a 70-GHz ECH/ECCD System in Heliotron J (2019)
  • Author(s): K. Nagasaki, S. Watanabe, K. Sakamoto, A. Isayama, H. Okada, T. Minami, S. Kado, S. Kobayashi, S. Yamamoto, S. Ohshima, S. Konoshima, T. Mizuuchi, Y. Nakamura, A. Ishizawa, S. Kubo, H. Igami, G. Weir, N. Marushchenko
  • Journal Title: Fusion Engineering and Design Volume: 印刷中 Pages: 印刷中
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Observation of a beam-driven low-frequency mode in Heliotron J (2019)
  • Author(s): L.G. Zang, S. Yamamoto, D.A. Spong, K. Nagasaki, S. Ohshima, S. Kobayashi, T. Minami, X.X. Lu, N. Nishino, S. Kado, P. Adulsiriswad, H. Okada, N. Kenmochi, S. Inagaki, J.X. Zhu, G.M. Weir, T. Mizuuchi, S. Konoshima, A. Ishizawa, D.L. Yu, Z.B. Shi, Yi Liu, L.W. Yan, J.Q. Li, Q.W. Yang, M. Xu, X.R. Duan and Yong Liu
  • Journal Title: Nuclear Fusion Volume: 59 Pages: 056001
  • DOI: https://doi.org/10.1088/1741-4326/ab0197
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Presentation] Measurement of Stray Millimeter-Wave Radiation from 70-GHz ECH/ECCD System in Heliotron J (2019)
  • Author(s): K. Nagasaki, S. Watanabe, K. Sakamoto, A. Isayama, H. Okada, T. Minami, S. Kado, S. Kobayashi, S. Yamamoto, S. Ohshima, S. Konoshima, T. Mizuuchi, Y. Nakamura, A. Ishizawa, S. Kubo, H. Igami, G. Weir, N. Marushchenko
  • Organizer: Korea-Japan Workshop on Physics and Technology of Heating and Current Drive
• [Presentation] ヘリオトロンJにおける電子バーンスタイン放射を用いた電子温度計測 (2019)
  • Author(s): 長﨑百伸, 伊神弘恵, Francesco Volpe, 小林進二, 中村祐司, 南貴司, 門信一郎, 山本聡, 大島慎介, 水内亨, 木島滋, 石澤明宏, Maoyuan Luo, Nikolai Marushchenko
  • Organizer: 日本物理学会第74回年次大会
• [Presentation] Measurement of Stray Millimeter-Wave Radiation from 70-GHz ECH/ECCD System in Heliotron J (2018)
  • Author(s): K. Nagasaki, S. Watanabe, K. Sakamoto, A. Isayama, H. Okada, T. Minami, S. Kado, S. Kobayashi, S. Yamamoto, S. Ohshima, S. Konoshima, T. Mizuuchi, Y. Nakamura, A. Ishizawa, S. Kubo, H. Igami, G. Weir, N. Marushchenko
  • Organizer: 2018 US-EU-Japan RF Heating Technology WS/US-Japan WS on RF Heating Physics
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Response of Plasma Performance to Magnetic Configuration and Heating/Current Driven in Heliotron J (2018)
  • Author(s): K. Nagasaki
  • Organizer: 19th International Congress on Plasma Physics
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] 加熱・電流駆動 －ITERから原型炉へ向けた進展 (2018)
  • Author(s): 長﨑百伸
  • Organizer: 第12回核融合エネルギー連合講演会
• [Presentation] Introduction, Symposium "Frontiers in Optimization Studies for 3D Magnetically Confined Helical Plasmas" (2018)
  • Author(s): K. Nagasaki
  • Organizer: 第35回プラズマ・核融合学会年会