2021 Fiscal Year Research-status Report
乱流の非線形性を介在した同位体効果発現機構の実験的検証
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20K03901
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| Research Institution | Kyoto University |
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Principal Investigator |
大島 慎介 京都大学, エネルギー理工学研究所, 助教 (00469610)
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| Project Period (FY) |
2020-04-01 – 2023-03-31
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| Keywords | プラズマ乱流 / 同位体効果 / 磁場閉じ込め / 核融合 / 帯状流 / 計測 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究は、磁場閉じ込め核融合研究における”閉じ込め特性に対する水素同位体効果”の解明を目指している.乱流の非線形性を介在して同位体効果が生じるという仮説の実証を目指し、
A.乱流の非線形特性の実験的観測による同位体効果発現機構の解明
B.磁場配位制御による、非線形乱流を介在した、同位体効果への影響の検証
に取り組んでいる．軽/重水素の同位体比を制御し、幅広いパラメータ領域で乱流と帯状流の非線形結合・競合過程の特性の応答を解明する．このための計測器として，デュアル・ドップラー反射計、および多視線干渉計から成る複合計測システムによって乱流・帯状流を直接観測し、多様な揺動解析手法を駆使することで、乱流の素過程およびその非線形特性を評価する．さらに、制御ノブとして磁場の幾何形状（磁場配位）を制御し、乱流と帯状流の非線形結合・競合過程を介して同位体効果に影響を与えうるか、解明を目指している．
2021年度は，計測システムの改良と同位体実験の既存プローブ計測データの解析を進めた．帯状流同定に導入したドップラー反射計システムのアップグレードに関しては，昨年度導入した横ポートの反射計システムに加え，新たに上部ポートからの反射計システムを導入し，可動式凹面ミラーを導入することで、異なる観測位置・波数等を計測可能とした．これにより，周波数掃引と併せることで観測点の二次元スキャンや、強磁場・弱磁場側の乱流の非対称性等の調査が可能となった．既に初期計測データの取得に成功しており，磁場配位制御に応じて周辺径電場の構造が変化することを初めて観測した． 新干渉計の開発では単視線システムの構築を完了し、プラズマ密度計測に成功している．プローブ計測データの解析では，揺動駆動粒子束や，その揺動成分の同位体比依存性を初めて明らかにした．
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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
本研究では，主計測器としてQ-Band（33-50 GHz）のデュアル・ドップラー反射計システムの導入を進めてきた．このシステムは，密度・速度揺動およびポロイダル速度(径電場)、さらに反射計間の相関計測により帯状流の同定を狙っている．軽/重水素同位体比を徐々に変えつつ，乱流を計測し、乱流の基本的特性（乱流の揺動強度、波数、確率密度分布等）を評価すると同時に，帯状流との非線形結合度や帯状流との競合・均衡という観点からデータを整理し，同位体比依存性を調べる．また，揺動・分布計測が可能な高時間分解能の多視線反射計（反射計と同一のセクションに設置）の導入を進めており，密度分布の変化や反射計の観測点の変化を確認しながら実験を実施することが期待できる．
導入したデュアル・ドップラー反射計は既に運用されているものの，マイクロ波回路系の故障の発生等，改善の余地があり，アップグレードを進めている．また，今年度新たに上部ポートからの反射計システムを設置した．上部ポートのシステムは可動式凹面ミラーを備えており，プラズマへの入射角度を変更できる．これによって，観測点を変えると同時に，反射計に感度のある観測する乱流の波数領域を変えることができる．周波数掃引と併せることで，観測点の二次元スキャンや、強磁場・弱磁場側の乱流の非対称性等の調査が可能なシステムとなった．また分布計測用多チャンネル干渉計は，まずは単視線システムの構築を終え密度計測に成功している．現在，多視線化を進めている．
既存プローブ計測データの解析を，並行して進めている．密度・ポロイダル電場揺動より揺動駆動粒子束を評価すると，同位体比に応じて揺動が生み出す粒子束が低減されることが明らかとなった．同位体比の変化に応じて，帯状流が増大し，密度・電場揺動の強度および相関が低減しており，これが同位体比に応じた輸送の改善に影響していると考えられる．
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| Strategy for Future Research Activity |
2022年度には，現在導入した側面・上部ポートに加え，下部ポートからドップラー反射計の運用を開始する．上下および側面からの観測によって，帯状流同定のための相関計測のみならず，同一磁気面上の乱流の非一様性を観測することが期待できる．
分布計測用干渉計については，単視線システムの構築を完了したため，多視線システムへのアップグレードを進めている．まずは，購入済みの検出器を用いた3チャンネル計測を試みる．将来的に多チャンネル化を進める計画ではあるが，検出器が高価であるため，比較的安価な検出器などを試用し，低コストで多チャンネル化の可能性についても検討を進める．
計測器類のアップグレードと並行し，同位体効果に関する実験を実施する．軽/重水素同位体比を徐々に変えつつ、デュアルドップラー反射計によって乱流を計測し、乱流の基本的特性（乱流の揺動強度、波数、確率密度分布等）を評価する．また，帯状流探索実験を実施し，観測された場合には乱流との非線形結合度（バイスペクトル解析等によって評価）や帯状流との競合・均衡という観点からデータを整理し、同位体比依存性を調べる．
さらに系統的な配位制御実験を行い，乱流の同位体比依存性に関し，配位間比較実験を実施する
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| Causes of Carryover |
コロナ禍の影響で旅費や物品購入（納品遅れ）の使用予定に変更の必要が生じたため。
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[Journal Article] Development of dual X-mode Doppler reflectometry Q2 Q3 system in Heliotron J2022
Author(s)
Y. Kondo, S. Ohshima, D. Kuwahara, K. Inoshita, T. Fukuda, T. Minami, S. Kado, S. Kobayashi, S. Konoshima, T. Mizuuchi, H. Okada, T. Tomita and K. Nagasaki
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Journal Title
Journal of Instrumentation
Volume: 18
Pages: P05005
Peer Reviewed
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