2013 Fiscal Year Annual Research Report
急速合体加熱と定常中性粒子ビーム加熱を駆使した球状トーラスの限界ベータ検証実験
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22246119
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| Research Institution | The University of Tokyo |
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Principal Investigator |
小野 靖 東京大学, 新領域創成科学研究科, 教授 (30214191)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
井 通暁 東京大学, 新領域創成科学研究科, 准教授 (00324799)
清水 敏文 独立行政法人宇宙航空研究開発機構, 宇宙科学研究本部, 准教授 (60311180)
榊田 創 独立行政法人産業技術総合研究所, エネルギー技術研究部門, 研究員 (90357088)
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| Project Period (FY) |
2010-04-01 – 2015-03-31
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| Keywords | ベータ限界 / プラズマ合体 / 中性粒子ビーム / 球状トカマク / 磁場反転配位 / 磁気リコネクション / プラズマ加熱 / 圧力駆動型不安定 |
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| Research Abstract |
大きな進展は， 10メガワットを越えるリコネクション加熱を駆使したA) STの同極性合体，B) 異極性合体生成FRCへのトロイダル磁場印加の2手法によって，それぞれ適度，極端にHollowな電流密度・熱圧力分布を形成し，超高ベータSTに危険な圧力駆動型・電流駆動型不安定の検証したこと，さらに一定範囲で能動制御に成功したことである。セパラトリクス付近に設置した磁気プローブ列によって，合体加熱終了直後，バルーニングキンクと考えられるn=25程度の高次モードをクリアカットに捉えることに成功した。同モードの成長によって熱圧力が低下して，最終的にモードも低下する様子も明らかになった。熱圧力勾配が限界を超えると磁場揺動が増加する傾向，絶対極小磁場配位が広範囲に形成されるとモードの成長が抑制される傾向を捉え，安定性解析との対応を進めている。高ベータ不安定の能動制御は，1) 合体による圧力・電流分布制御，2) 開発済みのCO-NBI（中性粒子ビーム）の安定化効果によって，一定範囲では目処がついた。結果的にB)手法にCO-NBIを組み合わせれば，一定の高ベータ配位の維持時間も0.04-0.1msec程度確保できるようになった。合体加熱もベータ値も大きなTS-4実験に開発済のパルスNBIを3基集中し，流速注入と追加熱によって超高ベータ状態のSTの安定領域をある程度広げることができた。これらの成果はIAEA Fusion Energy Conference 2014の日本代表論文に選定されたほか，IPELS国際会議等の招待論文，電気学会学術奨励賞などで評価されている。さらに再結合磁場の二乗に比例する巨大なリコネクション加熱も，誘導電場と静電場の相乗効果で加熱が進むといったメカニズム解明が進み，以上の成果をプラズマ核融合学会誌の２つのリコネクション小特集に取りまとめ，内外より注目を浴びた。
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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
本研究の要素は1）合体・リコネクション加熱，2) 合体加熱による超高ベータ球状トカマク（ST）生成, 第2安定状態の実現，3）自主開発中性粒子ビーム入射(NBI)を組み合わせて、40%を超える超高ベータ状態の維持，4)第2安定状態のSTの限界ベータの検証とNBI等による安定領域の拡大等であるが，既に1)-4)の全てに成功している。1)-3)は特に完成度も高く，多数の論文，招待講演がある。ST合体の急速加熱効果，特に磁場の2乗に比例する巨大なイオン加熱を用いた第2安定化STの生成には既に成功し,プラズマ核融合学会誌小特集「球状トカマク研究の進展: 2.4球状トカマク合体の応用」(2013年1月)につづき，同小特集「磁気リコネクション研究の最前線」(同年11,12月)，Physics of Plasmas特集号を小野がとりまとめ，安価で高出力なリコネクション加熱は超高ベータSTの生成法として注目を集めた。4)も合体加熱直後もn=25程度のバルーニングキンクモードの成長とベータの低下が観測され，合体を調整して絶対極小磁場配位が広範囲で得ると，成長が低下している。さらに中性粒子ビームNBIを最適入射すると高ベータほど配位の安定性が改善されて配位維持時間の向上（能動制御）が認められた。安定解析と実験の対応も進み，成果が出始めたNBIによる能動制御を含めた限界ベータ拡大を確立するのが最後の課題である。最大のST実験MAST（英国）とも協力し，東大の学生・職員を派遣してSTの合体加熱実験を行い，通常のCSコイル立ち上げの1/3の300kAながら，それを大幅に上回る1.2keVのイオン温度と1keVの電子温度が得られ，東大の磁場の二乗に比例する加熱則の正しさを立証できた。超高ベータSTの生成と安定性向上に向けた能動制御は速いペースで進み、期待以上の成果が上がったといってよいものと思われる。
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| Strategy for Future Research Activity |
最終年度は，最後に残された限界ベータ拡大に関する解釈を確立するため，(A) STの同極性合体と(B) 異極性合体生成FRCへのトロイダル磁場印加の２手法と3台の中性粒子ビームNBIを駆使して，合体形成される超高ベータSTの電流密度・熱圧力分布とビーム入射分布と安定性の関係を系統的に検証する。最高ベータ値を実現したTS-4実験の(B)手法を意識して全3台のNBI装置と3種類の2次元計測をTS-4実験に集中し，高精細なイオン温度分布，電子温度分布，電場・磁場分布の計測から結論を導く。課題は，
（1）ST，特に第2安定状態のSTの限界ベータと電流・圧力分布の関係を上記実験，安定性解析，粒子・MHDシミュレーション解析の連携から結論すること，
（2）能動型の限界ベータ拡大，即ち高ベータ不安定制御の解釈を確定させるため，(a)プラズマ流による安定化，(b) (A) (B)の合体による電流・圧力分布の制御，(c) 導体壁による安定化を検証することである。
プラズマ流分布はNBI入射方向を変化させて制御し，(b)も外部駆動力やガイド磁場で制御可能であり，(c)の導体板位置も変更できる。例えば，磁気シア－圧力勾配ダイヤグラムでSTがバルーニング不安定等を回避して第2安定化を達成することのみならず，プラズマ流の能動制御により高ベータ安定限界がどこまで拡張できるか，高ベータ安定化を達成するシナリオを見出すことを最終目標とする。成果公表は，まず，5月にMR国際会議を東京大学で主催して，合体・リコネクション加熱に関する実験・理論の研究成果を集約し，10月のIAEA Fusion Energy Conference 2014で総合報告を行う他，Physics of Plasmas誌からは磁気リコネクションの3回目の論文特集の依頼もあり，最終結果の公表に用いる予定である。
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[Journal Article] Electron Acceleration by Magnetic Reconnection During Spherical Tokamak Merging Experiment2013
Author(s)
S. Kamio, K. Yamasaki, K. Takemura, Q. H. Cao, T. G. Watanabe, H. Itagaki, T. Tsutsui, K. Ishiguchi, R. Imazawa, T. Yamada, C. Z. Cheng, M. Inomoto, Y. Ono
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Journal Title
IEEJ Transactions on Fundamentals and Materials
Volume: 133
Pages: 166 - 173
DOI
Peer Reviewed
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[Journal Article] Development of Multichannel Doppler Spectroscopic Measurement System Using 8x8 Multianode Photomultiplier Tube Assembly2013
Author(s)
S. Kamio, N. Suzuki, Q. H. Cao, K. Abe, M. Sakumura, T. G. Watanabe, K. Ishiguchi, R. Imazawa, T. Yamada, M. Inomoto, Y. Takase, Y. Ono
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Journal Title
Revew of Scientific Instruments
Volume: 83
Pages: 83103
DOI
Peer Reviewed
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[Presentation] Physics of Reconnection Heating for ST Merging Startup Experiment2013
Author(s)
Y. Ono, S. Inoue, H. Tanabe, K. Yamasaki, Y. Kaminou, T. Watanabe, M. Inomoto, C. Z. Cheng, R. Hoiuchi, M. Gryaznevich
Organizer
17th International Spherical Tokamak Workshop 2013, York, Sept. 2013
Place of Presentation
University of York, UK
Year and Date
20130916-20130919
Invited
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[Presentation] Review of Reconnection Experiments2013
Author(s)
Yasushi Ono
Organizer
Third East-Asian School and Workshop on Laboratory, Space and Astrophysical Plasmas
Place of Presentation
National Olympics Memorial Youth Center, Tokyo
Year and Date
20130708-20130712
Invited
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