トカマクプラズマの定常化運転に必要なMHD不安定性モード結合の発生条件の解明

2018 Fiscal Year Research-status Report

• Project/Area Number: 18K03592
• Research Institution: National Institutes for Quantum and Radiological Science and Technology
• Principal Investigator: 東條 寛 国立研究開発法人量子科学技術研究開発機構, 那珂核融合研究所 先進プラズマ研究部, 主幹研究員(定常) (80549212)
• Project Period (FY): 2018-04-01 – 2021-03-31
• Keywords: 負磁気シア配位 / ディスラプション

Outline of Annual Research Achievements

本研究の目的は、これまで十分な議論がなされていなかった、プラズマ圧力を上昇していく途中（圧力限界以下の条件）でのプラズマのディスラプションが発生するパラメータ領域を特定することである。2018年度はJT-60Uトカマク装置の自発的なプラズマ電流を高める放電（負磁気シア配位を目指した放電）について多数の実験結果をまとめ、目的とする低圧力で発生したディスラプションを抽出した。本研究の第一ステップとして、プラズマ内部にどのような不安定性モードが存在するかを明らかにするための解析を行った。
規格化圧力 (規格化ベータ値1.5~1.7)が比較的低い条件でディスラプションが発生した放電では、プラズマ圧力勾配が大きい場所（規格化小半径で0.6程度）でプラズマの崩壊が開始していたことを電子サイクロトロン放射計測による電子密度分布や軟X線放射強度分布により確認できた。崩壊直後に温度が下がる領域と上がる領域が分かれている場所から崩壊場所を特定した。次に不安定性モード構造について解析を行った結果、プラズマ中心付近に周期が10kHz程度の不安定性モードが存在し、プラズマの崩壊開始の0.5ms程度前に急激に成長していることがわかった。一方、崩壊が開始する場所も周期が10kHz程度の不安定性モードが存在し、崩壊に関わっていると考えられるが、少なくとも0.1ms程度以上の時定数の成長はほとんど見えない。不安定性の成長が見えない理由としては、理想的な磁気流体不安定性が発生していることを示唆する。一方、中心付近で発生していた不安定性モードの成長領域(規格化小半径で0.1~0.3)は、プラズマが崩壊開始する場所とは離れており直接的な影響はないと考えられる。
また、国内学会で負磁気シアを伴う不安定性の発生率やその位置を特定するジャイロ運動論のシミュレーションについての調査を行った。

Current Status of Research Progress

3: Progress in research has been slightly delayed.

Reason

2018年度は、負磁気シア放電について、不安定性モードの空間構造の解析、不安定性が発生するパラメータ領域を特定する目標であった。不安定性モード解析として、プラズマ崩壊場所やプラズマ中心付近の不安定性モード構造変化について解析することができた。ただし、解析対象となる放電データを多数のショットから抽出し、平衡解析するのに予想以上の時間を要し、パラメータ（磁気シア、圧力勾配）を調査するには及ばなかった。よって、進捗状況は「(3)やや遅れている」と判断できる。

Strategy for Future Research Activity

2019年度は、ディスラプションに関連する磁気シア、圧力勾配、磁気レイノルズ数等のパラメータをまとめ、不安性発生領域の特定を行う。必要に応じて解析する対象の放電を増やし、領域の特定がより明らかになるようにする。上記までの成果を学会にて発表する予定である。また、前年度に行った不安定性モード解析の結果を踏まえ、線形MHDコードMARG2Dを利用することで、不安定性モードの成長率や分布について理論との整合性を確認する。MARG2Dについては、連携研究者からの協力を得て、結果の妥当性等について議論を行いつつ研究を進める。

Causes of Carryover

2018年度は、シミュレーションコードを利用した研究を行わなかったので、専用の計算機の購入とその解析に利用するPCの購入を行わなかった。2019年度分（翌年度分）として請求した助成金として上記を支出する予定である。それに加え、2019年度は当初より予定していた研究成果発表のための出張旅費の費用を支出する計画である。