2019 Fiscal Year Research-status Report
Clarification of plasma evolution on new electrode configuration
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19K14685
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| Research Institution | Kyushu University |
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Principal Investigator |
黒田 賢剛 九州大学, 応用力学研究所, 学術研究員 (40795035)
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| Project Period (FY) |
2019-04-01 – 2023-03-31
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| Keywords | 駆動電流増倍率の向上 / 閉じ込めの効率改善 / 真空容器内コイルの評価 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
当年度は導入した磁気センサーアレイなどの計測データから入射電流分布が把握され、同軸ヘリシティ入射(CHI)放電プラズマの理論解明が進展した。これに基づき算出された最適磁場配位における、高磁場領域の真空容器内側からの入射放電では入射電流値に対する駆動電流の増幅率が10倍以上に増加してプラズマは比較的長い時間維持された。この実験において初期設計の真空容器外側からの入射放電よりも高い閉じ込め効率がこの放電方式の変更により得る事が出来た。本件の主要計画である試作コイルを用いた最大電流駆動条件の評価においてこの放電方式の場合、コイルは真空容器内に設置される必要がある。これを実施するため試作コイルは、カプトンシートが巻き付けられた長方形断面(2x10)の銅線を真空容器床面(下部ダイバーター)上の中心半径R~37cm位置に12周させ、プラズマから遮蔽するためのホルダーに納めて構築した。電源はキャパシターと充電用直流電源を組み合わせて製作し、パルス幅msオーダーの最大4kAの電流印加を可能にした。動作試験では、実験時と同様の磁場条件(トロイダル磁場Bt~0.4T)においてコイル電流2kAまでの駆動が試された。実験は当年度の2月に実施され、コイル導入によるプラズマへの影響及びコイルへの深刻なダメージもなく、試作コイルを用いた適正磁場配位における予想に対してCHI放電プラズマの形成の比較がなされた。この初回評価においては入射領域以外での異常放電及びがガス導入部付近の局部放電の問題が顕在化され、今後の改善が求められる。
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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
高速カメラ映像に加えて磁気センサーから得られた電流分布や磁束変化などに基づく詳細な観測が可能になり、磁場配位の磁力線長と駆動電流、及びプラズマ発展における相関が得られ、CHIプラズマ形成モデルの理論構築が進展した。当初の真空容器外側からの入射放電方式ではモデル計算によると電極と真空容器への電流流入出位置の適切な制御が困難であり、また外側領域への流出電流密度が高くなることが懸念され、放電方式変更を実施した。変更後の真空容器内側からの入射放電方式では理論モデルと近い条件で期待通りの適切なプラズマ発展を得る事が出来た。その後、この内側からの入射放電方式において最大電流駆動条件を得るための真空容器内への試作コイルを設計してその導入方法を確立した。本プラズマ実験装置QUESTにおいて実施される他の長時間定常放電実験ではこの試作コイルは取り外す必要があるため今後本実験を実施する毎に試作コイルを導入する。試作コイルを用いた初回実験において主に導入ガスの圧力値及び導入タイミングの調整をすることで安定なプラズマ着火が得られた。しかし入射領域以外での異常放電、またガス導入部付近の局部放電が発生すると入射電流が大きく消費され、プラズマ発展には至らなかった。適切にプラズマを発展させるには入射領域から円周方向に一様な入射電流を駆動させる必要がある。前者の異常放電ついては、真空容器内に設置した放電防止のセラミック板間の放電痕から発生原因が特定され電極構造を改造することにより対策する。後者の局部放電についてはガス導入位置を変更して円周方向に分散させることで軽減する。
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| Strategy for Future Research Activity |
真空容器内側からの入射放電方式が本CHI放電の立ち上げに有利であることが示され、この方式による立ち上げ最適化のために真空容器内常設コイルの設置を目指す。真空容器内にコイルを常設する場合、コイル自体がQUEST装置での他の長時間定常放電実験にも耐え、且つコイルのアウトガスや物理的な構造物が真空及びプラズマに対して影響を与えてはならないなどの制約が加わる。また実際の真空容器内へのコイル設置作業においても複雑な手順と高い技術を要する。これらを不備なく達成するためにも、CHIプラズマ形成の正確な理論モデルを構築し、算出された最適磁場配位でのプラズマ形成を試作コイルを用いて実験検証する本研究意義は重要である。計測については、磁気センサーのノイズ除去を施すことで精度を向上させ、それらを増設する。また駆動装置を用いたプラズマ領域中心部までの計測も試みる。プラズマ生成について、第一にプラズマ着火を安定化させる。着火に必要なガス量が多いと異常放電や局部放電が生じてしまうので出来るだけ少ないガス量で着火を生じさせたい。これはガスの導入方法と電極形状を工夫することで可能であり、着火を生じさせる入射領域近傍には増設コイルが設置されるので、コイルの設計にも深く関連する。プラズマ発展にはコイルと電極の位置関係及び電極サイズが関係するので理論モデルに基づいたいくつかのパターンを評価する。入射電流分布、発展の度合い、閉じ込め電流値、外部コイルによる制御性などの傾向を調べ、高性能プラズマ立ち上げのための最適設計値を見出す。
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Research Products
(4 results)
