2022 Fiscal Year Research-status Report
Research for ELM suppression in fusion reactors with metallic wall
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18K03593
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| Research Institution | National Institutes for Quantum Science and Technology |
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Principal Investigator |
相羽 信行 国立研究開発法人量子科学技術研究開発機構, 那珂研究所 先進プラズマ研究部, 上席研究員 (20414584)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
本多 充 京都大学, 工学研究科 附属工学基盤研究教育センター, 教授 (90455296)
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| Project Period (FY) |
2018-04-01 – 2024-03-31
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| Keywords | 磁場閉じ込め核融合 / トカマク / エッジローカライズドモード / QH-mode / 拡張MHDモデル |
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| Outline of Annual Research Achievements |
令和4年度は，研究代表者が開発したプラズマ回転およびイオン反磁性ドリフト効果を考慮した拡張MHD安定性解析コードMINERVA-DIを用いて，米国DIII-D装置におけるエッジローカライズドモード（ELM）抑制運転の1つであるquiescent H-mode (QH-mode)およびELMy H-modeにおけるMHD安定性について解析を行い，ELM抑制の鍵となる物理的特徴の解明を試みた．令和3度までに，QH-modeではプラズマ電流を主因として発生するMHDモード（キンク・ピーリングモード，K/PM）が回転によって安定化されることを明らかにし，この安定化がQH-modeにおいて観測される周辺高調波振動(EHO)を引き起こす要因と考えられることを示した．
令和4年度の解析は，この理解を基に前述の2つの条件における解析を行った．その結果，QH-modeではEHOの原因となるK/PM，ELMy H-modeではELMの原因となるピーリング・バルーニングモード（PBM）が不安定であることを確認した．次に，「イオン温度、電子密度分布の違い」，「圧力ペデスタル分布の位置の違い」に着目して，MHD安定性に対するこれらの影響について評価した．その結果，主にイオン温度が高いほどPBMが安定化されること，圧力ペデスタルの位置がプラズマ表面に近づくほどK/PMが不安定化されることを明らかにした．実際に，QH-modeはELMy H-modeに比べて「ペデスタルイオン温度が約２倍」，「圧力ペデスタルがプラズマ表面に近い」分布を持っていたためELMは発生しづらくEHOが発生しやすい状況であることを明らかにした．本成果は，JT-60SAやITER，原型炉においてQH-mode運転を行うためのプラズマ分布制御に指針を示したものであり，結果をまとめた論文がNuclear Fusion誌に掲載された．
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
3: Progress in research has been slightly delayed.
Reason
米国General Atomics社の共同研究者の協力を得て，米国DIII-D装置におけるELM抑制運転（QH-mode）およびELM発生運転（ELMy H-mode)のMHD安定性解析を行い，QH-mode運転時の特徴として，高いイオン温度および周辺ペデスタル分布がプラズマ表面に近いことが重要であることを明らかにした．さらに，この結果が投稿論文として出版されるなど概ね順調に研究成果を得ることが出来た．
しかし，新型コロナウィルス感染症の影響により，General Atomics社への出張などが出来ず，共同研究者との議論や実験データの取得にやや不都合が生じており，研究期間をさらに1年延長して研究計画の完遂を試みることとした．
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| Strategy for Future Research Activity |
これまでに得られた成果を基に，米国DIII-D装置の他QH-mode放電およびELMy H-mode放電の解析などを進め，より定量的な評価を進める．特に，DIII-D装置で近年利用されている燃料イオンの回転の直接計測などの結果を用いてより精密な解析を実現し，QH-modeにおいて観測されるEHOとMHD安定性との関係について更なる理解を得ることを目指す．
また，今回明らかにした「QH-mode放電に必要な特徴」を持つ状況を原型炉で想定した場合に，既存装置でのQH-mode放電が持つ安定性特性が再現されるかについて解析を行う．併せて，昨年度明らかにした「不純物イオンおよび燃料イオン双方の回転を考慮した一流体回転分布」の重要性について，原型炉で想定される金属壁から放出される不純物の影響を数値計算で模擬した場合にどのような変化が生じるかの解析を試みることで，本研究課題の目的である，金属壁を持つ核融合炉におけるエッジローカライズモード抑制方法を検討する上で，QH-modeの有効性を議論するために必要な物理理解を得ることを目指す．
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| Causes of Carryover |
新型コロナウィルス感染症の影響により，共同研究者の所属する国外研究機関への出張が実施できなかったため，研究期間を1年延長して同出張を実施することで研究の完遂を目指すため．
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