2021 Fiscal Year Annual Research Report
Investigation of turbulence driven transport using an advanced laser diagnostics in the reactor relevant plasma
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21H04458
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| Research Institution | National Institute for Fusion Science |
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Principal Investigator |
田中 謙治 核融合科学研究所, ヘリカル研究部, 教授 (50260047)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
瓜谷 章 名古屋大学, 工学研究科, 教授 (10213521)
中西 秀哉 核融合科学研究所, ヘリカル研究部, 准教授 (10280596)
糟谷 直宏 九州大学, 応用力学研究所, 准教授 (20390635)
吉田 麻衣子 国立研究開発法人量子科学技術研究開発機構, 那珂核融合研究所 先進プラズマ研究部, 研究統括 (20391261)
沼波 政倫 核融合科学研究所, ヘリカル研究部, 准教授 (40397203)
仲田 資季 核融合科学研究所, ヘリカル研究部, 准教授 (40709440)
笹尾 一 国立研究開発法人量子科学技術研究開発機構, 那珂核融合研究所 先進プラズマ研究部, 主幹技術員 (80897067)
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| Project Period (FY) |
2021-04-05 – 2026-03-31
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| Keywords | 核融合 / プラズマ / レーザー / 位相コントラストイメージング / 乱流 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
核融合と同等条件下における磁場閉じ込め高温プラズマ中の乱流揺動計測を目的とするレーザー位相コントラストイメージングの開発に着手した。実験は量子科学技術研究開発機構のJT-60SAで計測を行う計画である。レーザー位相コントラストイメージングに用いるレーザーの光源の波長を検討した。当初、波長1.55micronのYAGレーザーを用いる予定であったが、YAGレーザーを用いた乱流揺動計測を核融合科学研究所の大型ヘリカル装置(LHD)で試みたところ、十分な信号強度が得られないことが分かった。そこで、方針を変更して波長10.6micronのCO2レーザーを用いることにした。CO2レーザーを用いた位相コントラストイメージングはLHDで稼働しており、十分な信号強度を獲得している。よって、プラズマサイズがLHDより大きいJT-60SAにおいても十分な信号強度を取得できると考えられる。しかしながら、YAGレーザーを用いる場合と異なり、検出器を液体窒素で冷却する必要がある。JT-60SAでは実験期間中は実験室内に週１回数時間程度しか入室できないため、完全な遠隔で常時、液体窒素で検出器を冷却する必要がある。そこで、空気から高純度窒素を生成し、液化する液体窒素製造装置を導入することにし、検出器冷却システムを設計し、必要な機器を購入した。また、JT-60SAにおけるレーザー光学系を設計した。レーザーはJT-60SA実験室とは異なる部屋に設置することにより中性子、ガンマ線の遮蔽をする必要がなくなった。また、データ取り込み装置も実験室の地下室に設置することにより中性子、ガンマ線の照射量を大幅に低減することが可能になった。
並行して位相コントラストイメージングを用いた電子加熱下における乱流揺動および、乱流駆動輸送の水素同位体効果の実験データをLHDで取得し、将来のJT-60SAにおける実験の比較データとした。
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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
本研究はR3年度からR7年度までの予定でR6年度に位相コントラストイメージングをJT-60SAに設置する予定であった。しかしながら、R3年度3月にJT-60SAでプラズマ閉じ込めコイル損傷のトラブルが発生し、その結果、実験計画が１年半程度遅れることになった。JT-60SAの実験の遅れに合わせて、現在の計画では本研究の最終年度であるR7年度に位相コントラストイメージングを設置し物理データを取得することとなった。
当初の方針を変更し、CO2レーザーを用いることにしたが、検出器の冷却に必要な液体窒素製造装置は必要な性能を満たすものを入手でき、空気中の酸素から液体窒素を製造する試験運転にR3年度中に成功した。JT-60SAにおける計測システムの設置については研究分担者である量子科学技術研究機構の吉田麻衣子研究統括、笹尾一主幹技術員とともにJT-60SAの実験室において可能なレーザー光路を検討し、さらには実験室建屋のCADデータをもとに他の装置機器との干渉がない光路を設計した。デジタイザーは厚さ2mのコンクリート床下の地下室に設置することになったので中性子、ガンマ線の照射量は大幅に低くなり、中性子、ガンマ線の遮蔽も簡易なもので十分となる可能性が高い。
研究協力者のスイス連邦工科大学のStefano Coda博士との共同研究によりJT-60SAにおける磁気シアを用いた手法の空間分解能の評価を行った。
また、核融合科学研究所のLHDで位相コントラストイメージングを用いた実験データの取得を進め、国際会議の発表と論文化を進めた。これらのLHDにおける成果はJT-60SAで実験を開始した際の貴重な参考データになる。
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| Strategy for Future Research Activity |
JT-60SAにおける計測システムの開発を引き続き進める。
R4年度は液体窒素製造装置に液体窒素供給システムを接続し、検出器に液体窒素を自動制御で供給し、常時検出器が冷却できるシステムを製作してテストする。また、液体窒素製造装置、冷却装置は中性子、ガンマ線が照射されるJT-60SA実験室内に設置されるので、設置位置における中性子、ガンマ線の照射量を評価したのちに遮蔽シールドを設計する。
光学系の設置は他の機器との干渉を詳細に検討し最終案を決定する。
レーザー光がプラズマを透過したのちの詳細な検出光学系の設計を進める。磁気シアを用いて空間分解能を取得する予定であるが、磁気軸の内側と外側において磁力線角度が同じになる領域が現れ、その結果、小半径位置はほぼ等しいが、磁気軸内側と、外側の空間情報が重なることが明らかになった。この対策としては、複数の検出器を用いて焦点位置を磁気軸の内側と外側にそれぞれ設置することにより区別することを検討している。当初は２次元検出器１台のみで計測する予定であったが、二次元検出器で空間構造の全体像を計測し、焦点位置の異なる２台の一次元検出器で詳細な空間構造を取得することを検討する。これらの光学設計のためのレーザー光を用いた場合の結像計算を数値計算ソフトを用いて進める。
R4年度は引き続き、LHDにおける位相コントラストイメージングを用いた乱流計測と輸送研究を進める、電子加熱下における閉じ込め性能の劣化はトカマク、ヘリカルともに報告されており、LHDにおける電子加熱プラズマの輸送研究は今後のJT-60SAの研究において貴重な参考データになる。また、スイス連邦工科大のTCV, EuroFUsionのJETなどのトカマク実験に参加し乱流駆動輸送の知見を蓄え、これらの結果もJT-60SAの研究における参考データとする。
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Research Products
(14 results)
