2021 Fiscal Year Annual Research Report
Development of Rapid Startup and Ignition Method for High-Beta Spherical Tokamaks by Use of Ultra-High Power Merging Heating
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20H00136
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| Research Institution | The University of Tokyo |
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Principal Investigator |
小野 靖 東京大学, 大学院新領域創成科学研究科, 教授 (30214191)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
堀内 利得 核融合科学研究所, その他部局等, 名誉教授 (00229220)
井 通暁 東京大学, 大学院新領域創成科学研究科, 教授 (00324799)
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)
宇佐見 俊介 核融合科学研究所, ヘリカル研究部, 准教授 (80413996)
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| Project Period (FY) |
2020-04-01 – 2025-03-31
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| Keywords | 合体加熱 / 高ベータ化 / 第二安定化 / 球状トカマク / 核融合点火 / 磁気リコネクション / リコネクション加熱 / 絶対極小磁場配位 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
東京大学球状トカマク合体実験TS-6，同TS-4Uの電源系の容量拡大と制御回路整備，コイルの高磁場化は完了し，英国ST-40装置も加えた中型３装置による高磁場・高出力リコネクション加熱実験を行い，既に最大3keVに達するリコネクションのみによるイオン加熱を記録した。
課題１のリコネクション加熱の制御では，インフロー速度を調整して電流シートをイオンラーマ半径程度まで圧縮すると異常抵抗が急増し，高速リコネクションがオンされて，再結合磁場の40％程度がイオンの運動熱エネルギーに変換されるとわかった。まさにリコネクション加熱による再結合磁場の2乗に比例し，核融合点火に適した高出力加熱が得られるが，一方，電流シートをイオンラーマ半径まで圧縮しないと加熱エネルギーは再結合磁場の10%以下で，こちらはヘリシティー注入・電流駆動に最適な運転となる。電流シート圧縮を利用して，自在な熱圧力分布，イオン温度分布形成が可能になってきた。
課題２の合体生成された高ベータSTの把握については，開発した分解能5mmのプリント基板型磁気プローブ計測，480チャンネルの２次元高精細ドップラーイオン温度計測，Ｘ線カメラの２次元エネルギー分布計測によれば，イオン温度主体のホローな熱圧力分布の計測が進み，負磁気シア分布や絶対極小磁場分布の成立条件が次第に明らかになり，堀内らの粒子シミュレーションの分布と定性的に一致する。安定解析コード解析によれば，バルーニングモードに対する第2安定状態が成立することがわかった。不安定制御にも着手し，バルーニングモードと思われる高ｎモードの磁場揺動とそれにともなうプラズマ放出がクリアに検出されている。
次年度の運動論的粒子入射による分布制御や高ベータトカマクの安定性確保に向けて独自開発のワッシャーガン型高出力パルス中性粒子ビーム入射装置を入射角度可変で装着し，出力増強を開始した。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
1: Research has progressed more than it was originally planned.
Reason
電流シート圧縮を用いて，リコネクション加熱を人為的に制御できることがわかったことは大きな成果で，電流シートをイオンラーマ半径程度まで圧縮することにより，トカマク合体を再結合磁場の40%に相当する高出力イオン加熱に用いることも，イオンラーマ半径まで圧縮せずに加熱は再結合磁場の10%以下に抑えて，トカマク合体を磁気ヘリシティー注入（電流駆動）に持ちいることもできることがわかった。これにより、合体加熱を自在な熱圧力分布制御に用いる目処がつきつつあることは特筆できる。この成果はFusion Energy 2023の日本代表論文に選ばれ，中型実験ながら口頭発表に推薦されている。リコネクション加熱についても，リコネクション電場で電子が磁力線に沿って加速されて，四重極構造の静電ポテンシャル構造を形成し，そのExBドリフトによってリコネクション下流でイオンが加速される物理機構が明らかにした。再結合磁場にもガイド磁場にも比例する静電ポテンシャルのスケーリング則がわかったことから，最終的にイオン加熱が再結合磁場の２乗に比例することが説明できたできたことも大きな進展といえる。この成果は2022年米国物理学会年会招待講演に加え，アジア太平洋物理学会やICPP国際会議の招待講演となるなど評価されている。２次元計測の整備は計画以上のスピードで進行しており，課題の合体生成された高ベータ球状トカマクの磁場，イオン温度，電子温度・密度，高エネルギー電子の２次元計測やそれを用いた安定解析，さらに合体型の粒子シミュレーションとの比較も順調といえる。
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| Strategy for Future Research Activity |
急速に進んだ高磁場合体実験のための電源・コイル整備に加え、２次元計測系の整備がかなりの部分達成され，リコネクション加熱による自在な圧力分布制御がある程度可能になったので，今後は合体生成された特異な超高ベータ配位の圧力駆動型不安定や電流駆動型不安定が現れる条件を解明し，それらの制御法を探る予定である。粒子シミュレーションや安定解析コード解析とも連携して，第２安定状態，さらに進んで輸送障壁との関連を制御の観点から明らかする。高温・高ベータ配位の安定化を目指した分布制御に結びつけ，２次元計測群を駆使して，特異な負磁気シアや絶対極小磁場配位と配位の安定性の関係を明らかにし，その後，可能なら輸送障壁の形成や自発電流割合との関係へ検証範囲を広げる予定である。
一方，球状トカマク合体による電流シート圧縮の程度を調整する手法を駆使して，
（１）合体によるイオン加熱と（２）磁気エネルギー注入（電流駆動）を人為的に制御して，合体による熱圧力・電流分布形成がどこまで自在に制御できるかを検証する。さらに（３）ワッシャーガンで出力を0.5MW に倍増させた独自の15kＶ中性粒子ビーム入射の本格運用を開始し，能動的な運動論的粒子の入射による高ベータプラズマの安定性の向上と輸送の向上を試みる。
年後半は,超高出力の合体加熱を用いた経済性の高いようにトカマクの立ち上げ・点火のシナリオに関して英国ST-40，東京大学TS-6の２つの中型装置を用いて総合的な検証を開始する。リコネクション加熱の再結合磁場の2乗スケーリングはプラズマサイズによらないため，中型装置でもkeVのイオン温度に達するので，徐々に再結合磁場とイオン温度領域を高めながら，球状トカマク合体加熱の人為的制御と中性粒子ビーム入射による運動論的安定化を駆使した超高ベータ状態の球状トカマクの能動的安定化を検証しながら，最終年度につなげる予定である。
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[Presentation] High Power Reconnection Heating and Acceleration in UTokyo Tokamak Merging Experiments (invited)2022
Author(s)
Y. Ono, Shinjiro Takeda, Haruaki Tanaka, Moe Akimitsu, Ryo Someya, Shun Kamiya, Tara Ahmadi, Kurumi Doi, Haruka Yamaguchi, Yunhan Cai, Jungkyun Kim, Hiroshi Tanabe, Shunsuke Usami, Ritoku Horiuchi, Chio Z. Cheng
Organizer
64th Annual Meeting of the APS Division of Plasma Physics
Int'l Joint Research / Invited
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[Presentation] Merging Formation of High-Beta Spherical Tokamak with Absolute Minimum-B in TS-6 merging experiment2022
Author(s)
Yasushi Ono, Haruaki Tanaka, Shun Kamiya, Haruka Yamaguchi, ungkyun Kim, Yunhan Cai, Ryo Someya, Shinjiro Takeda, Hiroshi Tanabe, Shunsuke Usami, Ritoku Horiuchi, Chio Z. Cheng,
Organizer
64th Annual Meeting of the APS Division of Plasma Physics
Int'l Joint Research
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[Presentation] Reconnection heating study of two merging tokamak plasmas for fusion plasma ignition: its scaling law and intermittent reconnection with plasmoid formation/ ejection (invited)2022
Author(s)
Yasushi Ono, H. Tanaka, S. Takeda, R. Someya, M. Akimitsu, M. Akimitsu, K. Doi, H. Tanabe, R. Horiuchi, S. Usami, C. Z. Cheng
Organizer
US-Japan Workshop on Magnetic Reconnection 2022
Int'l Joint Research / Invited
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