2014 Fiscal Year Annual Research Report
次世代核融合実験のための高原子番号不純物スペクトルの観測とモデリング
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23340183
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| Research Institution | National Institute for Fusion Science |
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Principal Investigator |
森田 繁 核融合科学研究所, ヘリカル研究部, 教授 (80174423)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
後藤 基志 核融合科学研究所, ヘリカル研究部, 准教授 (00290916)
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| Project Period (FY) |
2011-04-01 – 2016-03-31
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| Keywords | プラズマ核融合 / プラズマ計測 / プラズマ分光 / 原子分子物理 / 磁気双極子禁制線 / タングステン |
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| Outline of Annual Research Achievements |
磁場閉じ込め装置では真空壁を保護するため第一壁として炭素材が長年用いられてきたが，国際熱核融合実験炉（ITER）ではトリチウム蓄積回避や高熱流束対応等の理由によりタングステンを使用する．ITERでの核燃焼定常実験を成功させるためにはタングステンの挙動を把握することが死活的に重要となる．そこで，プラズマ分光診断に必要なタングステンに関する基礎データを取得するため，大型ヘリカル装置（LHD）と付属する分光計測機器を用いて可視からX線に至るスペクトル線を観測し，複雑なタングステンスペクトルの構造を解明する．同時にスペクトル線強度に関するモデリングと不純物診断法の開発を行う．昨年度（平成26年度）は新しく開発したタングステン金属細線を内蔵する同軸型ポリプロピレン及び同軸型炭素不純物ペレットを実験に使用し，W45+イオン（127Å）スペクトルの空間分布を観測することに成功した．これまで観測していた60.9Å付近のW44+イオンスペクトルは他のタングステンスペクトルが混合している可能性があった．今回観測したスペクトルは完全に独立したイオンスペクトルであり，その分布解析を行った．線積分値を局所発光強度に変換し，HULLACコードを用いて計算した発光係数とプラズマの電子温度・密度分布を考慮することにより，コア部のタングステン密度を初めて計測した．コア部のW45+密度は7.8x108cm-3であった．別途解析したW44+密度は1.0x109cm-3であり，両者が良い一致を示した．この手法を用いてコア部のタングステン密度を精度よく計測できることが分かった．また，これまで得られたタングステン分光計測の知見をタングステンダイバータを有するトカマク装置のタングステン診断に応用すべく，中国・EAST装置でEUV分光器の設置準備を進め，首尾よくファーストデータの取得に成功した．
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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
新規に開発したタングステン内臓同軸型不純物ペレットを入射し，放電が放射崩壊しない上限値に入射タングステン量を設定し，最適化することに成功した．その結果，磁場閉じ込め核融合プラズマを用いた世界で最も明るいタングステン光源を手に入れることができた．この明るい光源を用いて可視域禁制線（例えば磁気双極子禁制線）の観測に成功した．また，これまで行われてこなかったVUV領域（500-3000Å付近）での高波長分解タングステン分光を開始し，WVIIが非常に強く発光することを発見した．このスペクトル線を用いてタングステン粒子流入束を計測できる可能性を示した．一方，EUV分光ではこれまでW44+イオンの空間分布スペクトルを観測してきたが，そのスペクトルには他のタングステンスペクトルが混入している可能性があった．そこで，新たにW45+イオンのスペクトル線を127Å付近に見つけ，その空間分布を観測した．分光器の絶対感度較正，空間分布の磁気面座標への再構成，HULLACコードによる放射強度計算を経て，電子温度・密度分布を考慮することによりコア部でのW45+イオン密度の算出に成功した． W44+イオン密度も別途求めた結果，両者の密度が非常に似通っており，今回得られた手法の信頼性を確認した．
中国・合肥・等離子体物理研究所のタングステンダイバータ超伝導トカマク装置「EAST」で，EUV分光器の設置を完了し，上側X点及び下側X点ダイバータ放電にてタングステンスペクトルを観測した．EASTでは上側ダイバータにタングステンを設置しているが，下側ダイバータ放電でもタングステンが観測されている．LHDで得たタングステン分光に関する知見をEASTプラズマでのタングステンスペクトルの解析に応用し，長時間放電におけるタングステン挙動の解析を進めている． 当初の計画以上に研究は順調に進展している．
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| Strategy for Future Research Activity |
平成27年度は本研究課題の最終年度となる．年度末にLHD実験が予定されているので，計画的に実験準備を進め，効率的なデータ取得に努める．同軸型不純物ペレットの開発により本研究課題の実験遂行が飛躍的に効率化した．また，3m直入射分光器の検出器を最新のCCD検出器に交換した結果，時間分解能の向上と共により明るい分光計測系を達成することができた．これまでS/N比の問題で計測できなかったプラズマ周辺部に存在する低電離タングステンVUVスペクトルやその空間分布が観測できている．大雑把なスペクトル解析も終了し，WVIIスペクトルの掘り下げた研究が必要と判断した．WVIIの温度・密度依存性を調べると共に，それを用いたイオン温度計測に挑戦する．可視スペクトルではこれまで得られていない荷数の磁気双極子禁制線の観測に挑戦する．EUV分光ではUTAと呼ばれる多くのスペクトル線が密集した疑似連続光を形成するスペクトル群の空間分布を観測することにより，より信頼性の高いスぺクトル解析を目指す．データ解析やそのモデリングに必要な計算コードの開発も順調に進展しており，UTAスペクトル群を解析するモデリング計算が進展した．また，W45+等の高電離タングステンイオンやW6+等の低電離タングステンイオンスペクトルの強度計算コードも概略ではあるが完成した．
中国・合肥の等離子体物理研究所のEASTトカマクで稼働し始めたEUV分光器を用いて，UTAやW45+等の高電離スペクトルを計測し始め， LHDを中心として本研究課題で得られたタングステンスペクトルに関する知見やデータ解析コードをEASTで得られているタングステンスペクトルの解析に応用する．LHDのタングステンペレットとEASTのタングステンダイバータからの両スペクトルの比較研究を開始すると共に，EASTでのタングステン密度計測や不純物蓄積に関する研究を進める．
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[Journal Article] Evaluation of ionization and recombination rate coefficients of tungsten ions in LHD plasmas by using UV-visible M1 lines2014
Author(s)
D. Kato, H.A. Sakaue, I. Murakami, M. Goto, T. Oishi, S. Morita, C. Suzuki, N. Nakamura, A. Sasaki, F. Koike, X.-B. Ding, C.-Z. Dong
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Journal Title
NIFS-PROC-97
Volume: 97
Pages: 72-75
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[Presentation] Preliminary result and initial analysis on radial profiles of impurity line emissions measured with EUV spectrometer on HL-2A2015
Author(s)
Chunfeng Dong, Zhengying Cui, Shigeru Morita, Ping Sun, Kai Zhang, Bingzhong Fu, Ping Lu, Yan Zhou, Yuan Huang, Qingwei Yang, Xuru Duan
Organizer
6th A3 Foresight Program Seminar on Critical Physics Issues Specific to Steady State Sustainment of High- Performance Plasmas
Place of Presentation
Nanning, China
Year and Date
2015-01-06 – 2015-01-09
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[Presentation] Near UV-visible line emission from tungsten highly-charged ions in Large Helical Device2015
Author(s)
D. Kato, H.A. Sakaue, I. Murakami, M. Goto, T. Oishi, N. Tamura, C. Suzuki, S. Morita, N. Nakamura, A. Sasaki, F. Koike, X.-B. Ding, C.-Z. Dong
Organizer
6th A3 Foresight Program Seminar on Critical Physics Issues Specific to Steady State Sustainment of High- Performance Plasmas
Place of Presentation
Nanning, China
Year and Date
2015-01-06 – 2015-01-09
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[Presentation] Tungsten pellet injection in LHD2015
Author(s)
Shigeru MORITA, Tetsutarou OISHI, Xianli HUANG, Hongming ZHANG, Motoshi GOTO, Liqun HU, Zenwei WU, Ling ZHANG, Fudi WANG
Organizer
6th A3 Foresight Program Seminar on Critical Physics Issues Specific to Steady State Sustainment of High- Performance Plasmas
Place of Presentation
Nanning, China
Year and Date
2015-01-06 – 2015-01-09
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[Presentation] A Fast-Response Extreme Ultraviolet Spectrometer for Measurement of Impurity Line Emissions in EAST2015
Author(s)
L.Zhang, S.Morita, Z.Xu, Z.W.Wu, P.F.Zhang, C. R.Wu, W.Gao, T. Ohishi, M. Goto, J. S. Shen, Y. J.Chen, W.Gao, J.Huang, J. H. Li, X.Liu, Y.Liu, Y.M.Wang, S.B.Zhang, Y.M.Duan, W.Feng, L.Wang, B.Zhang, H.Q.Liu, C.F.Dong, H.M.Zhang, X.L.Huang, X.Z.Gong, L.Q.Hu, J.L.Chen, B.N.Wan, J.G..Li
Organizer
6th A3 Foresight Program Seminar on Critical Physics Issues Specific to Steady State Sustainment of High- Performance Plasmas
Place of Presentation
Nanning, China
Year and Date
2015-01-06 – 2015-01-09
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[Presentation] Recent progress on tungsten spectroscopy and its data analysis in Large Helical Device2014
Author(s)
S.Morita, T.Oishi, I.Murakami, M.Goto, X.L.Huang, D.Kato, H.A.Sakaue, H.M.Zhang, K.Fujii, M.Hasuo, L.Q.Hu, Z.W.Wu, L.Zhang, C.F.Dong, Z.Y.Cui
Organizer
IAEA Technical Meeting on Atomic, Molecular and Plasma Material Interaction Data for Fusion Science and Technology (IAEA-F4-TM-42581)
Place of Presentation
Daejeon, Korea
Year and Date
2014-12-15 – 2014-12-19
Invited
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[Presentation] Investigation of toroidal acceleration and potential acceleration forces in EAST and J-TEXT plasmas2014
Author(s)
Fudi Wang, Bo Lyu, Xiayun Pan, Zhifeng Chen, Jun Chen, Guangming Cao, Yuming Wang, Xiang Han, Hao Li, Bin Wu, Zhongyong Chen, Yuejiang Shi, Sanggon Lee, Manfred Bitter, Kenneth Hill, John Rice, Shigeru Morita, Yadong Li, Ge Zhuang, Minyou Ye, Baonian Wan, EAST team
Organizer
24th International Toki Conference (ITC-24)
Place of Presentation
Toki, Japan
Year and Date
2014-11-04 – 2014-11-07
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[Presentation] Impact of 3D magnetic field structure on boundary and divertor plasmas in stellarator/heliotron devices2014
Author(s)
M. Kobayashi, Y. Feng, Y. Xu, F.L. Tabares, K. Ida, O. Schmitz, T.E. Evans, H. Frerichs, Y. Liang, A. Bader, K. Itoh, H. Yamada, Ph. Ghendrih, G. Ciraolo, D. Tafalla, A. Lopez-Fraguas, H.Y. Guo, Z.Y. Cui, D. Reiter, N. Asakura, U. Wenzel, S. Morita, N. Ohno, B.J. Peterson, S. Masuzaki
Organizer
25th IAEA Fusion Energy Conference
Place of Presentation
St. Petersburg, Russian Federation
Year and Date
2014-10-13 – 2014-10-18
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[Presentation] Study of carbon transport in the scrape-off Layer of HL-2A with impurity sources located at limiter, baffle and divertor2014
Author(s)
Z.Y. Cui, S. Morita, M. Kobayashi, X.T. Ding, X.Q. Ji, J. Cheng, Y. Xu, C.F. Dong, P. Sun, H.Y. Zhou, Z.B. Shi, Y. G. Li, B.B. Feng, P. Lu, L.W. Yan, Q.W. Yang, X.R. Duan
Organizer
25th IAEA Fusion Energy Conference
Place of Presentation
St. Petersburg, Russian Federation
Year and Date
2014-10-13 – 2014-10-18
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[Presentation] Spatial profile measurement and analysis of EUV impurity spectra in HL-2A tokamak2014
Author(s)
Chunfeng Dong, Zhengying Cui, Hangyu Zhou, Shigeru Morita, Ping Sun, Bingzhong Fu, Ping Lu, Yan Zhou, Yuan Huang, Qingwei Yang, Xuru Duan
Organizer
5th China-Japan Joint Seminar on Atomic and Molecular Processes in Plasmas (AMPP2014)
Place of Presentation
Lanzhou, China
Year and Date
2014-07-29 – 2014-07-31
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[Presentation] Edge impurity transport study based on carbon emission profile measurement with VUV spectroscopy in the HL-2A tokamak2014
Author(s)
Z. Y. Cui, C. F. Dong, S. Morita, H. Y. Zhou, X. T. Ding, P. Sun, M. Kobayashi, X. W. Cui, Y. Xu, X. L. Huang, Z. B. Shi, J. Cheng, Y. G. Li, B. B. Feng, S. D. Song, L. W. Yan, Q. W. Yang, X.R. Duan
Organizer
5th China-Japan Joint Seminar on Atomic and Molecular Processes in Plasmas (AMPP2014)
Place of Presentation
Lanzhou, China
Year and Date
2014-07-29 – 2014-07-31
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[Presentation] Evaluation of ionization and recombination rate coefficients of tungsten ions in LHD plasmas by using UV-visible M1 lines2014
Author(s)
D. Kato, H.A. Sakaue, I. Murakami, M. Goto, T. Oishi, C. Suzuki, S. Morita, N. Nakamura, A. Sasaki, F. Koike, X.-B. Ding, C.-Z. Dong
Organizer
The 5th China-Japan Joint Seminar on Atomic and Molecular Processes in Plasma
Place of Presentation
Lanzhou, China
Year and Date
2014-07-29 – 2014-07-31
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[Presentation] Spectroscopic modeling fro tungsten EUV spectra2014
Author(s)
I. Murakami, D. Kato, H.A. Sakaue, C. Suzuki, S. Morita, M. Goto, A. Sasaki, N. Nakamura, N. Yamamoto, F. Koike, and the LHD Experimental Group
Organizer
5th A3 Foresight Program Seminar on Critical Physics Issues Specific to Steady State Sustainment of High- Performance Plasmas
Place of Presentation
Kagoshima, Japan
Year and Date
2014-06-23 – 2014-06-26
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[Presentation] First measurement of high-ionized impurity emission distribution using grazing-incidence flat-field EUV spectrometer in HL-2A2014
Author(s)
Zhengying Cui, Chunfeng Dong, Hangyu Zhou, Shigeru Morita, Ping Sun, Bingzhong Fu, Ping Lu, Xuantong Ding, Qingwei Yang, Xuru Duan
Organizer
20th Topical Conference on High-Temperature Plasma Diagnostics (HTPD2014)
Place of Presentation
Atlanta, USA
Year and Date
2014-06-01 – 2014-06-05
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[Presentation] Role of stochastic magnetic field layer on edge impurity transport of metallic materials in Large Helical Device2014
Author(s)
S.Morita, M.Kobayashi, T.Oishi, M.Goto, Z.Y.Cui, C.F.Dong, L.Q.Hu, X.L.Huang, G.Kawamura, S.Masuzaki, I.Murakami, E.H.Wang, Z.W.Wu, L.Zhang, H.M.Zhang
Organizer
21th International Conference on Plasma Surface Interactions in Controlled Fusion Devices
Place of Presentation
Kanazawa, Japan
Year and Date
2014-05-26 – 2014-05-30
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