Non-inductive start-up of spherical tokamak by combination of electron beam injection and electron Bernstein heating

2020 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 18H03689
• Research Institution: Kyoto University
• Principal Investigator: 田中 仁 京都大学, エネルギー科学研究科, 教授 (90183863)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 前川 孝 京都大学, エネルギー科学研究科, 名誉教授 (20127137) ; 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): 2018-04-01 – 2021-03-31
• Keywords: 無誘導立ち上げ / 電子バーンスタイン波 / 電子ビーム入射 / 球状トカマク / オーバーデンスプラズマ

Outline of Annual Research Achievements

３年計画の最終年度として、昨年度までに導入した計測器の更なる整備、解析プログラムの開発を行った。そして、電子バーンスタイン波（EBW）で立ち上げたターゲットプラズマのパラメータを変えて電子ビーム入射（EBI）実験を繰り返し、EBIにより、プラズマ電流や電子密度がどのように変化するか詳細に調べた。そして、以下のような結果を得た。
(1) 大半径 25.5 cmで、下側真空容器壁より 5 cm中に入った位置に設置した電子銃より、100 ～ 600 eV のエネルギーの電子ビームを約 800 A入射したところ、2.45 GHzマイクロ波の遮断密度の約30 倍（～2.3 x 1018 m-3）に達するオーバーデンスプラズマを維持することができた。
(2) 電子ビーム入射初期で電子密度があまり上がらない段階（遮断密度の約20倍程度）では、プラズマ中心の電子サイクロトロン（EC）共鳴層付近で軟X線放射強度の急激な増加が見られ、顕著な電子加熱が起こっていると見られる。
(3) 電子ビーム電流重畳によるプラズマ電流の顕著な増加は見られなかった。これは、プラズマ電流のフープ力を抑える垂直磁場のフィードバック制御が行われていなかったことが原因と考えられる。
また、電子密度が増加し過ぎるとプラズマ電流が減少する傾向があり、電子密度の上昇に伴い、EBW へのモード変換効率が悪化し、ECCD電流が減少したためと考えられる。さらに電子密度が増加し、高域混成共鳴層が第２高調波EC共鳴層よりも大半径外側に出てしまうと、第２高調波EC共鳴加熱が周辺加熱となってしまうことも原因となると思われる。
(4) 現在の実験パラメータ領域においては、電子密度を～1.7 x 1018 m-3 程度に抑えることができれば、EBWとEBIの加熱・電流駆動の共存が可能と見られる。

Research Progress Status

令和2年度が最終年度であるため、記入しない。

Strategy for Future Research Activity

令和2年度が最終年度であるため、記入しない。

Research Products

• [Presentation] Sawtooth-like density oscillations in the overdense ST plasma produced by EBW on LATE (2021)
  • Author(s): R. Kajita, Y. Nozawa, X. Guo, R. Ashida, R. Nakai, T. Nagaeki, Y. Ideta, S. Yoshioka, M. Uchida, H. Tanaka and T. Maekawa
  • Organizer: Korea-Japan Workshop on Physics and Technology of Heating and Current Drive
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Overview of Recent EBW Experiment in LATE (2020)
  • Author(s): H. Tanaka, Y. Nozawa, R. Kajita, X. Guo, T. Kuzuma, T. Nakai, S. Matsui, S. Yamagata, R. Ashida, R. Nakai, T. Nagaeki, M. Uchida, T. Maekawa
  • Organizer: 8th Kyushu QUEST Workshop
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Measurement of Mode-Conversion Process to Electron Bernstein Waves in Low Aspect ratio Torus Experiment (2020)
  • Author(s): X. Guo, R. Ashida, Y. Nozawa, R. Kajita, R. Nakai, T. Nagaeki, Y. Ideta, S. Yoshioka, H. Tanaka, M. Uchida, T. Maekawa
  • Organizer: The 29th International Toki Conference
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] LATEでのマイクロ波による無誘導立ち上げにおける入射波偏波調整実験 (2020)
  • Author(s): 野澤嘉孝, 梶田竜助, 郭星宇, 芦田涼, 中井亮太朗, 長嶧拓巳, 出田 雄己, 吉岡 慎太郎, 打田正樹, 田中仁, 前川孝
  • Organizer: 「先進トカマク開発のための実験研究」研究会
• [Presentation] LATEにおけるプラズマ噴出時の磁気計測 (2020)
  • Author(s): 梶田竜助, 野澤嘉孝, 郭星宇, 芦田涼, 中井亮太朗, 長嶧巧巳, 出田雄輝, 吉岡慎太郎, 打田正樹, 田中仁, 前川孝
  • Organizer: 「先進トカマク開発のための実験研究」研究会
• [Presentation] Direct Measurement of Electron Bernstein Waves in LATE (2020)
  • Author(s): X. Guo, R. Ashida, Y. Nozawa, R. Kajita, R. Nakai, T. Nagaeki, Y. Ideta, S. Yoshioka, H. Tanaka, M. Uchida, T. Maekawa
  • Organizer: 「先進トカマク開発のための実験研究」研究会
• [Presentation] ECH/ECCDによるITERの非誘導立ち上げ (2020)
  • Author(s): 前川孝、打田正樹、田中仁
  • Organizer: プラズマ・核融合学会第36回年会
• [Presentation] 電子バーンスタイン波で生成された球状トカマクプラズマへの電子ビーム入射実験 (2020)
  • Author(s): 田中仁，野澤嘉孝，梶田竜助，郭星宇，芦田涼，中井亮太朗，長嶧巧巳，出田雄己, 吉岡慎太郎, 打田正樹，前川孝
  • Organizer: プラズマ・核融合学会第36回年会
• [Presentation] LATE装置における電子バーンスタイン波直接検出実験結果 (2020)
  • Author(s): 郭星宇，芦田涼，野澤嘉孝，梶田竜助，中井亮太朗，長嶧巧巳，出田雄己，吉岡慎太郎，打田正樹，田中仁，前川孝
  • Organizer: プラズマ・核融合学会第36回年会
• [Presentation] LATE装置における電子バーンスタイン波直接検出のための２次元計測システム (2020)
  • Author(s): 芦田涼, 郭星宇, 野澤嘉孝, 梶田竜助, 中井亮太朗, 長嶧巧巳, 出田雄己, 吉岡慎太郎, 打田正樹, 田中仁, 前川孝
  • Organizer: プラズマ・核融合学会第36回年会
• [Presentation] LATE球状トカマクプラズマの空間電位計測用HIBPにおける入射イオンビーム制御による２次ビーム電流の最大化 (2020)
  • Author(s): 中井亮太朗, 吉岡慎太郎, 野澤嘉孝, 梶田竜助, 郭星宇, 芦田涼, 長嶧巧巳, 出田雄己, 田中仁, 打田正樹, 前川孝
  • Organizer: プラズマ・核融合学会第36回年会
• [Presentation] 球状トカマク装置LATEにおける4台のAXUVピンホールカメラを用いた軟X線CTシステムの構築 (2020)
  • Author(s): 長嶧巧巳, 打田正樹, 梶田竜助, 出田雄己, 野澤嘉孝, 郭星宇, 芦田涼, 中井亮太朗, 吉岡慎太郎, 田中仁, 前川孝
  • Organizer: プラズマ・核融合学会第36回年会