2020 Fiscal Year Annual Research Report
高ベータ球状トカマク合体生成過程における熱エネルギー輸送過程の解明
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19H01866
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| Research Institution | The University of Tokyo |
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Principal Investigator |
田辺 博士 東京大学, 大学院新領域創成科学研究科, 准教授 (30726013)
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| Project Period (FY) |
2019-04-01 – 2022-03-31
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| Keywords | プラズマ科学 / 核融合 / 磁気リコネクション / プラズマ診断 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
2020年度は2019年度に引き続き、(1)静電プローブ計測による電子温度・密度計測のトリプルプローブバイアス電圧設定の検証と浮遊電位測定端子の電位測定精度の検定、(2)Rubyレーザを用いたTVトムソン散乱計測投入を可能とするための環境整備、(3)イオン系は既設装置による測定実験を行った。
(1)については、ガイド磁場リコネクションの四重極電位構造によって数kV/mの強力な面内電場がリコネクション平面に存在する状況で、しばしばトリプルプローブ計測で得られた電子温度が発散する傾向が得られた。ダブルプローブと浮遊電位測定端子方式による直視法の前提条件である、バイアス電圧が電子温度よりも十分高い条件が2019年度の計測では必ずしも満足されていないことが分かった。また電子密度測定のためのダブルプローブ部の電流測定器がヒステリシス特性を有することが分かったため、同特性の改善のための機器の調達・改善を実施した。静電プローブ方式は精度の良い測定実現には課題が残った一方、同プローブで得られた特性では、磁気リコネクションのX点近傍で発生するプラズモイド構造が存在する領域内部で局所的に電子温度が上昇する現象などの特徴も検出されており、これまで注目していなかった時間帯に興味深い加熱現象が存在する傾向の発見などがなされた。
(2)については、2019年度に引き続きRubyレーザ復旧のための機器の調整を実施。水漏れ・破損したフラッシュランプ交換等の故障部位の復旧を行い、プロファイラとパワーメータで仕様確認を実施。10J以上の出力とレーザプロファイル復旧を経てRubyトムソン散乱計測応用準備が整ったため、本郷キャンパスへの移設を行った。
(3)のイオン系の加熱構造研究については順調に解明が進み、IAEA-FEC2020等の国際会議やAAPPS-DPP国際会議等の招待講演の形で研究成果の公表を行った。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
2020年度はコロナ禍の影響によ学内入構禁止・自宅待機等の厳しい状況での年次スタートとなったため、コロナ事由による繰り越し制度を利用して研究を遂行した。特にRubyレーザ復旧関連業務は、学内関係者の登校・出勤制限もかかる中、海外からの機器の調達や大学側の専門業者訪問受け入れ態勢の準備が整うのに時間がかかったため、コロナ禍の影響に伴う年次繰り越しを必要とする形でレーザの本郷キャンパス移設、移設完了後の再調整を実施した。
静電プローブ方式による電子温度計測については、ダブルプローブと浮遊電位端子方式の「直読式」トリプルプローブの測定に必要な仮定が破綻するケースがしばしば見受けられ、体系的な空間分布スキャンは課題を残す形となった。測定法の前提条件の見直し・改善を経て、従来未注目の時間帯に存在するプラズモイド現象由来の加熱現象を発見できた一方、ダブルプローブ部分にかける電圧設定によって、測定可能な時間帯と測定が難しい時間が発生することが分かった。
静電プローブおよびRubyレーザトムソン散乱による初期想定の電子温度測定計画は当初の測定よりも遅れがみられる一方、イオン系の熱輸送研究は当初の想定を超える成果を得た。従来ガイド磁場が存在する状況における磁気リコネクションでは、四重極構造の電位分布が生成され、高電位側から低電位側へのポテンシャルドロップΔφを起源とするエネルギーゲインによりイオン温度が上昇し、それは低ポテンシャル側に現れるとされていたが、逆極性の高ポテンシャル側に高温領域に存在することが判明、従来のシミュレーション予測と異なる実験発の新現象発見として注目を集めた(IAEA-FEC2020国際会議にて発表、Nuclear Fusion誌に採択)。電子系の研究は遅れ気味だが、イオン系については当初の想定を超える成果が得られており、「(2)おおむね順調に進展している」と評価する。
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| Strategy for Future Research Activity |
本研究では当初静電プローブ方式とトムソン散乱計測の2本立て計画を想定していたが、静電プローブ方式については四重極電位が±100Vを超える状況でのトリプルプローブ測定の計測系機能の条件が満たされないケースが見受けられたため、代替方式の準備も行いながら研究を遂行する。電子系構造形成の検出器として、現在同一研究組織代表小野による基盤A(20H00136)で開発が進められている複数エネルギー帯のX線エネルギー分析をはじめ、成果が先行しているドップラートモグラフィ計測系を流用可能な線強度比応用型の情報抽出試験も並行して実施する(核融合科学研究所共同研究)。
Rubyレーザを用いたTVトムソン散乱計測については、レイリーブロックのノッチフィルターとHαブロック用のフィルタ調達が完了したため、同レーザ用分光器の整備およびリコネクション領域へのレーザ入射光学系、集光光学系の整備を開始する。静電プローブについては、ポテンシャル構造が複雑な状況での測定精度向上法として定評のある、プリンストンプラズマ物理研究所MRXで用いられている2本の浮遊電位と端子と2本のダブルプローブ端子方式や、直視法ではない電流計を複数必要とする形式のトリプルプローブ試験を実施し、高ガイド磁場環境下のポテンシャル構造が複雑な状況でも利用可能な方法の確立を行う。
次年度は最終年度に相当するため、電子系計測確立の後は順次電子温度・密度計測実験を推進。国内外の学会で研究成果の公表を実施するとともに、論文投稿を実施、研究成果の集大成のとりまとめを行う。
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Research Products
(14 results)
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[Journal Article] Overview of Merging Spherical Tokamak Experiments and Simulations for Burning, High-Beta and/or Absolute Minimum-B Plasma Formation2021
Author(s)
Y. Ono, M. Inomoto, H. Tanabe, H. Yamaguchi, M. Akimitsu, M. Gryaznevich, S. McNamara, P. Buxton, J. Kompulla, J. Wood, V. Nemytov, K. McClements, C. Z. Cheng, S. Usami and R. Horiuchi
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Journal Title
28th IAEA Fusion Energy Conference (FEC 2020)
Volume: IAC/P4-3
Pages: 1-8
Peer Reviewed / Open Access
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