2023 Fiscal Year Annual Research Report
Control of Energetic-Particle-Driven MHD Instabilities by External Actuators
Project/Area Number |
22H00117
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Research Institution | Kyoto University |
Principal Investigator |
長崎 百伸 京都大学, エネルギー理工学研究所, 教授 (20237506)
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Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
永岡 賢一 核融合科学研究所, 研究部, 教授 (20353443)
桑原 大介 中部大学, 理工学部, 准教授 (60645688)
小林 進二 京都大学, エネルギー理工学研究所, 准教授 (70346055)
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Project Period (FY) |
2022-04-01 – 2026-03-31
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Keywords | 高エネルギー粒子 / MHD不安定性 / ECH/ECCD / 閉じ込め磁場配位 |
Outline of Annual Research Achievements |
磁場閉じ込め核融合プラズマにおいて、核融合反応によって生成されるアルファ粒子や加熱用中性粒子ビームといった高エネルギー粒子(energetic particle, EP)を良好に閉じ込めることは、加熱効率を向上させ、高性能炉心プラズマの生成・維持するために重要な課題である。本研究では、炉心プラズマ閉じ込めの劣化やプラズマ対向壁の損傷を引き起こすEP励起MHD不安定性を克服するため、電子サイクロトロン共鳴加熱・電流駆動(ECH/ECCD)や回転変換などの磁場配位パラメタといった外部制御が可能なアクチュエータを組み合わせることで大型実験装置や原型炉に外挿可能なEP励起MHD不安定性の制御手法を開発する。また、複数のアクチュエータによってEP励起MHD不安定性の励起・減衰の物理機構を明らかにする。 EP励起MHD不安定性の励起・減衰の物理過程を理解するためには、AEの空間構造を実験的に求めることが重要となる。今年度は、AEの空間構造の特性に合わせた局所揺動計測システムをHeliotron Jプラズマ実験装置に適用し、EP励起MHD不安定性を観測した。開発したラジオメータによる電子温度分布計測、マイクロ波反射計による電子密度揺動計測を可能とした。中性粒子ビーム加熱によって励起された巨視的アルフベン固有モード(GAE)及び高エネルギー粒子モード(EPM)が100kHz近傍の周波数で励起されることを観測するとともに、電子サイクロトロン共鳴加熱(ECH)の重畳によるモードの励起・減衰について調べた。ECH変調では、モードの励起・抑制にエネルギー閉じ込め時間の時間スケールで遅れの応答性が見られており、モードのダイナミクスから電子圧力の変化のみでモードの挙動が決定されていないことを示唆する結果が得られた。
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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
EP励起MHD不安定性の励起・減衰の物理過程を理解するためには、AEの空間構造を実験的に求めることが重要となる。巨視的アルヴェン固有モード(GAE)、高エネルギー粒子モード(EPM)といったモード計測のためには、局所的なMHD揺動計測が可能なECEラジオメータ(電子温度揺動計測)、及び、マイクロ波反射計システム(密度揺動計測)を開発する必要がある。昨年度に開発したこれらの計測システムをHeliotron J装置に適用し、Heliotron Jプラズマ実験において電子温度、及び、電子密度揺動の計測が行えることを確認した。 ECEシステムは16chのシステムを異なるトロイダル角2点の位置で計測することに成功しており、今後の詳細な計測に向けての準備が進んだ。マイクロ波反射計についても、同じポロイダル断面上で3点の計測が行えるシステムを構築し、周波数スキャン等の初期データを得ることができている。プラズマ実験では、NBIによって80 kHz, 100 kHz近傍にGAE, EPMを励起し、ECHを定常または変調入射した。モード強度が電子密度、ECHパワー、NBIパワーに依存すること、ECH変調に対してモード応答に遅れが観測されている。ECHパワーが高い200kW入射の場合は電子密度上昇ととともにモードが抑制されているのに対し、ECHパワーが低い100kW入射の場合は電子密度上昇とともにモードが励起されており、NBIによる高エネルギー粒子圧力とECHによるバルク電子圧力、連続減衰のバランスでモードの励起・減衰が決まっていることを示唆する結果が得られている。
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Strategy for Future Research Activity |
Heliotron J装置のシアーアルヴェンスペクトルは径方向に平坦であるため、コア領域で励起されるAEはGAEが主たるモードであり、周辺領域ではEPMであるが、磁気シア制御によりトカマクで主要なモードである。Heliotron J装置での磁場配位制御の柔軟性を活かし、プラズマ中心での磁場強度、プラズマ体積、磁気井戸を一定に保ちながら、回転変換と0.4から0.6まで変化させる等、シアーアルヴェンスペクトルを変化させ、励起されるEP励起モードの制御を行う。開発したECEラジオメータ、マイクロ波反射計システム、また、ビーム放射分光システム等を用いて、EP励起モードの径方向構造を計測するとともに、磁気プローブアレイを用いてトロイダルモード数、ポロイダルモード数を求める。第2高調波70GHz ECH/ECCD(400kW)と外部コイルによる磁場配位を組み合わせることによって、EP圧力分布、連続減衰、磁気シア、ランダウ減衰の各項の効果を切り分けることを試みる。Heliotron Jと磁場配位が異なるLHD装置、TJ-II装置、等で取得されたデータベースと比較し、連続減衰、磁気シア、ランダウ減衰の効果を明確化する。 EP励起MHD不安定性の制御実験によって得られたモード周波数・モード数及び径方向分布のデータをFAR3dコード、STELLGAPコードを用いた理論解析結果と比較し、EP圧力、バルク圧力、連続減衰の物理機構について探索する。これらの結果を用いて大型装置や原型炉で予想されるプラズマパラメタにおいて、本研究で開発した磁場配位、ECH/ECCDを用いた制御手法の外挿性を探る。 自己燃焼維持のためにはイオンが加熱される必要があるため、その手法としてEP励起不安定性のひとつであるEGAMを用いて直接イオン加熱することを試みる。
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[Journal Article] Design activities of ECH/CD system for JA DEMO2023
Author(s)
Oda Yasuhisa、Nagasaki Kazunobu、Fukuyama Atsushi、Maekawa Takashi、Idei Hiroshi、Yanagihara Kota、Aiba Nobuyuki、Ikeda Ryosuke、Kajiwara Ken、Kubo Shin、Seino Tomohiro、Tobita Kenji、Uto Hiroyasu、Sakamoto Yoshiteru
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Journal Title
AIP Conference Proceedings
Volume: 2984
Pages: 030002
DOI
Peer Reviewed / Open Access
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[Presentation] ヘリオトロンJにおけるパッシェン系列を用いた小型水素ペレット溶発雲の電子温度推定法2024
Author(s)
岩田晃拓, 門信一郎, 本島厳, 四竈泰一, 村雲南斗, 竹内航希, 岡田浩之, 南貴司, 稲垣滋, 金史良, 小林進二, 石澤明宏, 中村祐司, 木島滋, 水内亨, 長﨑百伸
Organizer
日本物理学会2024年春季大会
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[Presentation] EMC3-EIRENEシミュレーション及び分光診断で明らかになったヘリオトロンJ境界層の多層磁場構造における不純物挙動2024
Author(s)
蔡福瑞, 門信一郎, 河村学思, 馮超, 的池遼太, 宮下顕, 大島慎介, 南貴司, 稲垣滋, 金史良, 小林進二, 石澤明宏, 中村祐司, 岡田浩之, 木島滋, 水内亨, 馮玉和, H. Frerichs, 長﨑百伸 "
Organizer
日本物理学会2024年春季大会
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[Presentation] Effect of ECH on Energetic-Particle-Driven MHD Instabilities in Heliotron J2024
Author(s)
Y. Zhong, K. Nagasaki, Z. Wang, S. Kobayashi, S. Inagaki, T. Minami, S. Kado, S. Ohshima, F. Kin, C. Wang, Y. Nakamura, S. Konoshima, T. Mizuuchi, H. Okada, N. Marushchenko, J. Chen
Organizer
日本物理学会2024年春季大会
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[Presentation] ヘリオトロンJにおける突発的磁場揺らぎバーストの点過程モデリング2024
Author(s)
稲垣滋, 福島晟, 金史良, 大島慎介, 小林進二, 門信一郎, 南貴司, 木島滋, 岡田浩之, 水内亨, 長﨑百伸
Organizer
日本物理学会2024年春季大会
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[Presentation] ヘリオトロン型磁場配位における非共鳴波動加熱を用いた統計加速2024
Author(s)
"小林進二, 藤田智大, 山戸瞭雅, 永岡賢一, 長﨑百伸, 稲垣滋, 川手朋子, 大垣英明, 紀井俊輝, 全炳俊, 藤田駿, 門信一郎, 南貴司, 大島慎介, 木島滋, 水内亨
Organizer
日本物理学会2024年春季大会
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[Presentation] ヘリオトロンJにおける有理面近傍配位で観測される自励振動2024
Author(s)
"宮下顕, 大島慎介, 徐澤, 金史良, 小林進二, 門信一郎, 南貴司, 水内亨, 木島滋, 岡田浩之, 稲垣滋, 長﨑百伸 "
Organizer
日本物理学会2024年春季大会
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[Presentation] Non-uniform Fluctuation Characteristics inside an Edge Magnetic Island Structure in Heliotron J2023
Author(s)
A. Miyashita, S. Ohshima, R. Matoike, S. Kobayashi, S. Kado, T. Minami, S. Inagaki, F. Kin, T. Mizuuchi, S. Konoshima, H. Okada, K. Nagasaki
Organizer
Contributions to the 49th European Conference on Plasma Physics
Int'l Joint Research
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[Presentation] EMC3-EIRENE simulation of the magnetic field ripple effect on edge impurity flows in Heliotron J2023
Author(s)
F. Cai, S. Kado, G. Kawamura, R. Matoike, S. Ohshima, T. Minami, S. Inagaki, F. Kin, S. Kobayashi, A. Ishizawa, Y. Nakamura, H. Okada, S. Konoshima, T. Mizuuchi, Y. Feng, H. Frerichs, K. Nagasaki
Organizer
Contributions to the 49th European Conference on Plasma Physics
Int'l Joint Research
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[Presentation] 2D Imaging of Small Pellet Ablation Cloud Density in Heliotron J Based on High-speed Spectroscopy for Balmer-β Line Broadening2023
Author(s)
S. Kado, A. Mori, G. Motojima, A. Iwata, K. Takeuchi, T. Shikama, M. Murakumo, C. Feng, F. Cai, R. Matsutani, S. Ohshima, T. Minami, S. Inagaki, F. Kin, S. Kobayashi, Y. Nakamura, A. Ishizawa, H. Okada,T. Mizuuchi, S. Konoshima, K. Nagasaki
Organizer
Contributions to the 49th European Conference on Plasma Physics
Int'l Joint Research
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[Presentation] Particle Transport Study for Solid-hydrogen Pellet Injected Plasma Using Event-triggered Thomson Scattering Measurement System on Heliotron J2023
Author(s)
R. Matsutani, T. Minami, N. Kenmochi, D. Qiu, G. Motojima, S. Kado, S. Kobayashi, S. Ohshima, F. Kin, S, Konoshima, H. Okada, F. Cai, K. Takeuchi, Y. Kondo, A. Miyashita, S. Inagaki, K. Nagasaki
Organizer
Contributions to the 49th European Conference on Plasma Physics
Int'l Joint Research
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[Presentation] ヘリオトロンJにおける小型ペレット溶発雲の2次元可視高速分光診断2023
Author(s)
門信一郎, 森敦樹, 本島厳, 岩田晃拓, 竹内航希, 四竈泰一, 村雲南斗, 馮超, 蔡福瑞, 松谷遼, 大島慎介, 南貴司, 稲垣滋, 金史良, 小林進二, 中村祐司, 石澤明宏, 岡田浩之, 水内亨, 木島滋, 長﨑百伸
Organizer
日本物理学会第78回年次大会
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[Presentation] ヘリオトロンJプラズマ中のヘリウム原子近赤外輝線の直線・円偏光分光2023
Author(s)
守田常裕, 四竈泰一, 村雲南斗, 門信一郎, 南貴司, 小林進二, 大島慎介, 岩田晃拓, 金史良, 石澤明宏, 中村祐司, 岡田浩之, 木島滋, 水内亨, 稲垣滋, 長﨑百伸, 蓮尾昌裕
Organizer
日本物理学会第78回年次大会
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[Presentation] Heliotron Jにおけるエネルギー閉じ込めとAvailable Energyの磁場配位依存性2023
Author(s)
長﨑百伸, 稲垣滋, R. Mackenbach, J. Proll, 大島慎介, 小林進二, 南貴司, 門信一郎, 金史良, 中村祐司B, 石澤明宏B, 木島滋, 水内亨, 岡田浩之
Organizer
日本物理学会第78回年次大会
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[Presentation] ヘリオトロン型磁場配位における非共鳴波動加熱を利用した統計加速モデルの考察2023
Author(s)
小林進二, 永岡賢一, 長﨑百伸, 稲垣滋, 藤田智大, 山戸瞭雅, 藤田駿, 大島慎介, 大垣英明, 紀井俊輝, 全炳俊, 門信一郎, 南貴司, 木島滋, 水内亨
Organizer
日本物理学会第78回年次大会
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[Presentation] ヘリオトロンJにおけるデュアルドップラー反射計の開発2023
Author(s)
杭田樹, 近藤恭斗, 長﨑百伸, 桑原大介, 小林進二, 稲垣滋, 南貴司, 門信一郎, 大島慎介, 金史良, 木島滋, 水内亨, 岡田浩之, 大島諒也
Organizer
第40回プラズマ・核融合学会年会
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[Presentation] Response of Energetic-Particle-Driven MHD Instability to Modulated ECH in Heliotron J2023
Author(s)
Y. Zhong, K. Nagasaki, Z. Wang, S. Kobayashi, S. Inagaki, T. Mimani, S. Kado, S. Ohshima, F. Kin, C. Wang, Y. Nakamura, S. Konoshima, T. Mizuuchi, H. Okada, N. Marushchenko, J. Chen,
Organizer
第40回プラズマ・核融合学会年会
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[Presentation] ヘリオトロンJ周辺部磁気島内における乱流揺動の非一様性2023
Author(s)
宮下顕, 大島慎介, 的池遼太, 金史良, 小林進二, 門信一郎, 南貴司, 水内亨, 木島滋, 岡田浩之, 稲垣滋, 長﨑百伸
Organizer
第40回プラズマ・核融合学会年会
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[Presentation] ヘリオトロンJにおけるダイバータプローブアレイによる イオン飽和電流分布の磁力線長依存性2023
Author(s)
徐澤, 大島慎介, 宮下顕, 的池遼太, 長﨑百伸, 小林進二, 蔡福瑞, 稲垣滋, 門信一郎, 南貴司, 金史良, 水内亨
Organizer
第40回プラズマ・核融合学会年会
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[Presentation] ヘリオトロンJにおけるドップラー反射計を用いた ポロイダル方向相関計測2023
Author(s)
近藤恭斗, 大島慎介, 桑原大介, 杭田樹, 大島諒也, 南貴司, 門信一郎, 小林進二, 木島滋, 水内亨, 岡田浩之, 稲垣滋, 金史良, 長﨑百伸
Organizer
第40回プラズマ・核融合学会年会
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[Presentation] Improvement of Core Heat Transport in NBI Plasmas of Heliotron J using High-Ontensity Gas Puffing2023
Author(s)
CY. Wang, S. Kobayashi, K. Nagasaki, DC. Qiu, MY. Luo, PF. Zhang, K.Y. Watanabe, R. Seki, A. Miyashita, Y. Kondo, K. Inoshita, S. Inagaki, F. Kin, T. Minami, S. Kado, S. Ohshima, S. Konoshima, T. Mizzuchi, H. Okada "
Organizer
第40回プラズマ・核融合学会年会
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[Presentation] ヘリオトロンJにおけるビーム放射分光を用いた 二次元密度揺動解析2023
Author(s)
田附勇人, 小林進二, 長﨑百伸, 門信一郎, 南貴司, 大島慎介, 吉川正志, 佐々木真, 中村祐司, 石澤明宏, 木島滋, 水内亨 "
Organizer
第40回プラズマ・核融合学会年会
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[Presentation] ヘリオトロンJにおける非共鳴マイクロ波加熱プラズマ中の X線エネルギー分布のシミュレーション2023
Author(s)
藤田智大, 小林進二, 長﨑百伸, 永岡賢一, 川手朋子, 門信一郎, 南貴司, 大島慎介, 金史良, 王晨宇, 田附勇人, 山戸瞭雅, 藤田駿, 木島滋, 水内亨
Organizer
第40回プラズマ・核融合学会年会
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[Presentation] LaBrシンチレータを用いたヘリオトロンJプラズマの 高エネルギーX線スペクトル計測2023
Author(s)
山戸瞭雅, 小林進二, 大垣英明, 紀井俊輝, 全炳俊, 永岡賢一, 川手朋子, 稲垣滋, 岡田浩 之, 南貴司, 門信一郎, 大島慎介, 水内亨, 木島滋, 長﨑百伸 "
Organizer
第40回プラズマ・核融合学会年会
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[Presentation] Heliotron J におけるレーザートムソン散乱温度計測への機械学習の適用2023
Author(s)
寺田凱, 南貴司, 安原亮, 釼持尚輝, 邱德川, 松谷遼, 高橋千尋, 門信一郎, 大島慎介, 小林進二, 木島滋, 金史良, 稲垣滋, 長﨑百伸 "
Organizer
第40回プラズマ・核融合学会年会
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[Presentation] ロトカボルテラ方程式による磁化プラズマの自励振動現象のモデリング2023
Author(s)
岩中義英, 稲垣滋, 南貴司, 門信一郎, 大島慎介, 金史良, 小林進二, 木島滋, 岡田浩之, 水内亨, 長﨑百伸
Organizer
第40回プラズマ・核融合学会年会