2015 Fiscal Year Annual Research Report
Physics and macro control of particle circulation in a multi hierarchical complex-open system
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24226020
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Research Institution | Kyushu University |
Principal Investigator |
図子 秀樹 九州大学, 応用力学研究所, 特命教授 (20127096)
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Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
花田 和明 九州大学, 応用力学研究所, 教授 (30222219)
藤澤 彰英 九州大学, 応用力学研究所, 教授 (60222262)
出射 浩 九州大学, 応用力学研究所, 教授 (70260049)
永島 芳彦 九州大学, 応用力学研究所, 准教授 (90390632)
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Project Period (FY) |
2012-05-31 – 2017-03-31
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Keywords | 多階層 / 複雑・開放系 / 粒子循環 / 自発回転 / 定常トカマク / 電流駆動 |
Outline of Annual Research Achievements |
核融合炉の定常化に向けた研究課題として“多階層複雑・開放系における粒子循環物理とマクロ制御”という観点でプラズマ対向壁(PFC), 周辺開磁気面領域(SOL), 高性能プラズマコア領域(CORE)から構成される入れ子状の複雑系における粒子循環・流速分布に関わるマクロ構造形成・伝達過程とその制御性を調べることが目的である。具体的には温度制御可能な高温壁を設計・製作・設置し、壁でのリサイクル粒子循環過程の定常化・制御化を試み、各階層間粒子循環の相互干渉性を調べる。 ハード面では1)高温壁システム(加熱パネル、輻射板、熱電対ー温度制御系)のQUEST放電管内部への設置を完了した。さらに、放電管表面温度の制御のための冷却水システムの設計を行い、プラズマ加熱パワーの増強に対しても放電管内部温度を500度以下に制御可能な加熱・冷却システムを検討した。物理研究としては2)透過プローブ計測の整備と多点化をはかり、ガス入射変調による粒子循環システムの応答関数を決定した。これにより定常化に向けての新たな制御手法が整備された。3)SOL領域に関しては、多点駆動流速プローブによるSOL流速分布計測に加えて不純物発光線のDoppler計測を用いて自発トロイダル回転のポロイダル磁場依存性を世界で初めて確認した。4)定常トカマク運転に関しても、新たに設置した高温壁200度以下において1000秒維持を達成することができた。関連した粒子循環モデルを金属表面への再堆積層を考慮して新たに構築し、実験結果の粒子吸蔵量・放出量などを定量的に予測可能となってきた。以上のように各階層で主要な個別課題に関して大きな成果を収めることができた。 こうした内容に関しては2016年に開催される、国際プラズマ・壁相互作用会議、国際核融合エネルギー会議にて発表が受理されている。後者は国内・国際事前審査を経て認められている。
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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
研究は予想を上回って進んでいる。26年度に予定通り高温壁システム(加熱板-冷却板-輻射シールド板)を本体放電管内部に設置完了した。後半には高温壁の設置後のプラズマ維持実験を高周波40kWレベルで行いハード面の工学試験を順調に完了した。物理研究における進捗は以下の通りである。入れ子状の構造を持つ系において各領域での個別研究が予想以上に前進した。1)PFC領域では、2つの新たな進展があった。第一は金属壁に吸蔵されたヘリウムのプラズマによる誘導放出過程を定量的に調べるために摂動法を適用した。これにはあらかじめ実施したヘリウム放電後、水素プラズマ中の水素ガスのパルス注入に伴う摂動応答をHeガス圧に関して調べることにより、パルス注入との位相遅れ、放出率の時間発展の両面から誘導放出過程を自発放出過程と明確に区別して明らかにする方法を実証した。第二は壁への入射束と吸蔵束の関係に関して、今回の実験で稼働システムを用いて、世界で初めて局所吸蔵束とイオン束の直接比較を行った。重要な知見としてPFC影では“壁堆積束”に寄与するのがatomic 水素であることが示された点である。PFC影ではplasma側の摂動の影響はないことが明らかとなった。最新のデータも含めて “核融合装置の定常運転”に関わる国際専門家会議(2015.5)において、招待講演、口頭発表、2件のポスター発表を行った。 2)SOL領域では、開磁気面下無電流状態でトロイダル流れを観測した。これは運動量注入を行わないプラズマ中でどのようにベクトル量であるプラズマ回転が発現するかという課題に対する基礎研究である。特に世界で初めて、印加する垂直磁場が特別な値以下では、逆電流方向、閾値を超えると反転して順電流方向に回転反転が起きることを見いだした。これは燃料注入によるトカマク配位での自発回転の反転現象に対するヒントとなる事象と考えられる。
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Strategy for Future Research Activity |
28年度では1)26-27年度に設置し、200度までの工学試験を終えた高温壁を用いた定常化実験を行い高温壁設置以前に得られた820秒の定常トカマク放電維持(放電管温度は100度である)のさらなる更新をはかる。高温壁温度としては200度までを目標としてプラズマ実験を行い、さらに冷却系装置の工学設計・制作・設置を実施する。この冷却系は高周波パワーを用いて定常運転を行った場合、放電管胴体部の放電管温度が許容値の150度を上回らないようにするためであり、一部の冷却系、胴体部大型ポート周辺の冷却水パイプ、放電管上下斜め部にリブ構造に沿った冷却水パイプ、を設置した。高温壁パネルへの冷却水パイプの設置は28年度末に実施する。この高温壁用冷却水パイプ設置により、最高1MWの定常高周波管による定常実験において高温壁の500度までの制御実験が可能となる。2)定常化のための粒子循環制御手法確立のために、これまで実施したガス変調、パワー変調、相互作用領域変調に加えて、新たに壁温度変調に対する応答関数の取得とそれによる粒子循環特性の解明に取り組む。また、壁排気・放出量の時間発展の定量解析のために金属壁上の再堆積層を含む粒子循環モデルに壁温依存性を組み込む。物理研究としては 3)28GHz第2高調波発信管の整備(筑波大学との連携)と集光系の整備によりさらなる駆動効率の向上に取り組み、100kAの電流駆動をめざす。 4)非誘導電流駆動プラズマのもとで電子と結合する高周波のみを用いた自発プラズマ回転機構の解明に取り組む。このためにトロイダル・ポロイダル流れ同時計測の実施、またSOLプラズマにおける自発回転機構の解明のために開放磁場配位での回転計測を行う。
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[Journal Article] Heat flux and plasma flow in the far scrape-off layer of the inboard poloidal field null configuration in QUEST2015
Author(s)
Takumi Onchi, Hideki Zushi, Kishore Mishra, Y. Mahira, Kenichi Nagaoka, Kazuaki Hanada, Hiroshi Idei, Makoto Hasegawa, Kazuo Nakamura, Akihide Fujisawa, Yoshihiko Nagashima, Keisuke Matsuoka, Saya Tashima, Santanu Banerjee, A. Kuzmin, Shoji Kawasaki, Hisatoshi Nakashima, Aki Higashijima, and Osamu Watanabe
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Journal Title
Physics of Plasmas
Volume: 22
Pages: 082513
Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research / Acknowledgement Compliant
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[Journal Article] Self Organization of High βp Plasma Equilibrium with an Inboard Poloidal Magnetic Field Null in QUEST2015
Author(s)
K.Mishra, H.Zushi, H.Idei, M.Hasegawa, T.Onchi, S.Tashima, S. Banerjee, K. Hanada, H.Togashi, T.Yamaguchi, A. Ejiri, Y.Takase, K. Nakamura, A.Fujisawa, Y.Nagashima, A.Kuzmin
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Journal Title
Nuclear Fusion
Volume: 55
Pages: 083009
Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research / Acknowledgement Compliant
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[Journal Article] Comparison between Non-Inductive Plasma Current Start-Up2015
Author(s)
Hiroki MIURA, Kazuaki HANADA, Hideki ZUSHI, Kazuo NAKAMURA, Akihide FUJISAWA, Hiroshi IDEI, Yoshihiko NAGASHIMA, Makoto HASEGAWA, Hisatoshi NAKASHIMA, Shoji KAWASAKI, Aki HIGASHIJIMA, Osamu MITARAI,
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Journal Title
Plasma and Fusion Research
Volume: 10
Pages: 3402066
Peer Reviewed / Open Access / Acknowledgement Compliant
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[Journal Article] Development of a high-performance control system by decentralization with reflective memory on QUEST2015
Author(s)
Makoto Hasegawa, Kazuo Nakamura, Hideki Zushi, Kazuaki Hanada, Akihide Fujisawa, Osamu Mitarai, Kazutoshi Tokunaga, Hiroshi Idei, Yoshihiko Nagashima, Shoji Kawasaki, Hisatoshi Nakashima, Aki Higashijima
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Journal Title
Fusion Engineering and Design
Volume: 96-67
Pages: 629-632
DOI
Peer Reviewed / Open Access
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[Journal Article] Global gas balance and influence of atomic hydrogen irradiation on the wall inventory in steady-state operation of QUEST tokamak2015
Author(s)
A. Kuzmin, H. Zushi, I. Takagi, S.K. Sharma, A. Rusinov, Y. Inoue, Y. Hirooka, H. Zhou, M. Kobayashi, M. Sakamoto, K. Hanada, N. Yoshida, K. Nakamura, A. Fujisawa, K. Matsuoka, H. Idei, Y. Nagashima, M. Hasegawa, T. Onchi, S. Banerjee, K. Mishra, et al.
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Journal Title
Journal of Nuclear Materials
Volume: 463
Pages: 1087-1090
DOI
Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research / Acknowledgement Compliant
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[Journal Article] Particle balance in long duration RF driven plasmas on QUEST2015
Author(s)
K. Hanada, H. Zushi, N. Yoshida, N. Yugami, T. Honda, M. Hasegawa, K. Mishra, A. Kuzmin, K. Nakamura,A. Fujisawa, H. Idei, Y. Nagashima, O. Watanabe, T. Onchi, H. Watanabe, K. Tokunaga, A. Higashijima, S.Kawasaki, H.Nakashima, Y.Takase, A.Fukuyama, O.Mitarai, and Y. K. M. Peng
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Journal Title
Journal of Nuclear Materials
Volume: 463
Pages: 1084-1086
DOI
Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research / Acknowledgement Compliant
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[Journal Article] Observation of heat flux and plasma flow in scrape off layer in QUEST2015
Author(s)
T. Onchi, Y. Mahira, K. Nagaoka, S. Tashima, S. Banerjee, K. Mishra, H. Idei, K. Hanada, K. Nakamura, A. Fujisawa, Y. Nagashima, M. Hasegawa, K. Matsuoka, A. Kuzmin, O. Watanabe, S. Kawasaki, H. Nakashima, A. Higashijima
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Journal Title
Journal of Nuclear Materials
Volume: 463
Pages: 428-431
DOI
Peer Reviewed / Open Access / Acknowledgement Compliant
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[Journal Article] Development of gyrotrons for fusion with power exceeding 1 MW over a wide frequency range2015
Author(s)
T. Kariya, T. Imai, R. Minami, T. Numakura, T. Eguchi, Takeyoshi Kato, Y. Endo, M. Ichimura, T. Shimozuma, Shin Kubo, H. Takahashi, Y. Yoshimura, H. Igami, S. Ito, T. Mutoh, K. Sakamoto, H. Idei, H. Zushi, K. Nagasaki, F. Sano, M. Ono, Y. Mitsunaka
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Journal Title
Nuclear Fusion
Volume: 55
Pages: 093009
DOI
Peer Reviewed / Open Access
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[Presentation] Effect of Magnetic Structure on RF-induced Breakdown in QUEST2015
Author(s)
Ryota YONEDA, Kazuaki HANADA, Hideki ZUSHI, Kazuo NAKAMURA, Akihide FUJISAWA, Hiroshi IDEI, Naoaki YOSHIDA, Yoshihiko NAGASHIMA, Makoto HASEGAWA, Hisatoshi NAKASHIMA, Shoji KAWASAKI, Aki HIGASHIJIMA, Takahiro NAGATA, Osamu MITARAI, Atsushi FUKUYAMA, Yuichi TAKASE
Organizer
Japan-Korea Workshop on "Physics and Technology of Heating and Current Drive"
Place of Presentation
日立シビックセンター
Year and Date
2015-12-21 – 2015-12-22
Int'l Joint Research
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[Presentation] QUEST におけるコンパクトトーラス入射による粒子供給2015
Author(s)
山崎陽亮, 福本直之, 淡路谷研吾, 池田拓弥, 八木郁人, 花田和明, 冨樫 央, 本間寛人, 戸井田和弥, 永田正義, 恩地拓己, 出射 浩, 長谷川真, 藤澤彰英, 中村一男, 図子秀樹, Kuzmin Arseniy Aleksandrovich, Mishra Kishore, 江尻 晶, 高瀬雄一, 永島芳彦, 御手洗修, 川崎昌二, 中島寿年, 東島亜紀, 永田貴大
Organizer
第32回プラズマ・核融合学会年会
Place of Presentation
名古屋大学東山キャンパス
Year and Date
2015-11-24 – 2015-11-27
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[Presentation] Modification of far-SOL flow by substantial gas injection in the inboard poloidal field null configuration on QUEST2015
Author(s)
T.Onchi, H.Zushi, Y. Oyama, K. Mishra, K. Hanada, H. Idei, M. Hasegawa, A. Kuzmin, K. Nakamura, A. Fujisawa, Y. Nagashima, and QUEST team, K.Nagaoka
Organizer
57th Annual Meeting of the APS Division of Plasma Physics
Place of Presentation
Savannah, Georgia, USA
Year and Date
2015-11-16 – 2015-11-20
Int'l Joint Research
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[Presentation] Recent progress on non-inductive current drive and particle balance control towards steady-state operation on QUEST2015
Author(s)
K.Hanada, H.Idei, N.Yoshida, H.Zushi, K.Nakamura, A.Fujisawa, Y.Nagashima, M.Hasegawa, O.Watanabe, T.Onchi, A.Kuzmin, H.Watanabe, K.Tokunaga, A.Higashijima, S.Kawasaki, H.Nakashima, T.Nagata, T.Kariya, T.Imai, A.Ejiri, O.Mitarai, A.Fukuyama, Y.Takase, X.Gao, H.Liu J. Qian, M.Ono, R.Raman
Organizer
The 18th International Spherical Torus Workshop (ISTW-2015)
Place of Presentation
Princeton University,USA
Year and Date
2015-11-03 – 2015-11-06
Int'l Joint Research / Invited
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[Presentation] Particle circulation control and non-stationary evolution of pressure response function in vacuum chamber2015
Author(s)
H. Zushi, A. Kuzmin, I. Takagi, M. Kobayashi, M. Hasegawa, K. Hanada, A. Fujisawa, H. Idei, Y. Nagashima, K. Nakamura, T. Onchi, A. Fukuyama, Y. Takase, T. Mutoh, QUEST Group
Organizer
日本物理学会2015年秋季大会
Place of Presentation
関西大学千里山キャンパス
Year and Date
2015-09-16 – 2015-09-19
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[Presentation] Analysis of Plasma Equilibrium Based on Orbit-Driven Current Density Profile in Steady-State Plasma on QUEST2015
Author(s)
K. Nakamura, M. M. Alam, Y. Jiang, O. Mitarai, K. Kurihara, Y. Kawamata, M. Sueoka, M. Takechi, M. Hasegawa, K. Tokunaga, K. Araki,
Organizer
12th International Symposium on Fusion Nuclear Technology
Place of Presentation
Jeju Island, South Korea
Year and Date
2015-09-14 – 2015-09-18
Int'l Joint Research
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[Presentation] Permeation probes for hydrogen retention measurements in QUEST tokamak2015
Author(s)
A.Kuzmin, H. Zushi, I. Takagi, K.Hanada, Y. Oyama, S.Sharma, A. Rusinov, Y. Hirooka, H. Zhou, M.Kobayashi, M.Samsamoto, N. Yoshida, K. Nakamura, A. Fujisawa, K. Matsuoka, H. Idei, Y. Nagashima, M. Hasegawa, T. Onchi, K. Mishra, S. Banerjee
Organizer
22nd International Conference on ION-SURFACE INTERACTIONS
Place of Presentation
Moscow, Russia
Year and Date
2015-08-20 – 2015-08-24
Int'l Joint Research
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[Presentation] Dynamic retention characteristics in RF driven long duration discharges on QUEST2015
Author(s)
K.Hanada, N.Yoshida, T.Honda, A.Kuzmin, H.Zushi, I.Takagi, A.Hatayama, A.Fujisawa, K.Nakamura, H.Idei, Y.Nagashima, M.Hasegawa, T.Onchi, A.Higashijima, S.Kawasaki, H.Nakashima, O. Watanabe, O.Mitarai, A.Fukuyama, A.Ejiri, and Y.Takase
Organizer
8th IAEA Technical Meeting on Steady State Operations of Magnetic Fusion Devices
Place of Presentation
奈良
Year and Date
2015-05-26 – 2015-05-29
Int'l Joint Research / Invited
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[Presentation] Real-time identification of plasma current and its position with hall sensors for long-pulse operation on QUEST2015
Author(s)
M. Hasegawa, K. Nakamura, H. Zushi, K. Hanada, A. Fujisawa, K. Tokunaga, H. Idei, Y. Nagashima, A. Higashijima, S. Kawasaki, H. Nakashima, A. Kuzmin, T. Onchi, O. Watanabe, K. Mishra
Organizer
8th IAEA Technical Meeting on Steady State Operations of Magnetic Fusion Devices
Place of Presentation
奈良
Year and Date
2015-05-26 – 2015-05-29
Int'l Joint Research
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[Presentation] Response function and Statistical approach for particle circulation on QUEST2015
Author(s)
H. Zushi, A. Kuzmin, I. Takagi, S.K. Sharma, M. Hasegawa, M. Kobayashi, T. Mutoh,Y. Hirooka, K. Hanada, A. Fujisawa, H. Idei, K. Nakamura, Y. Nagashima, T. Onchi, K. Mishra, N. Yoshida, S. Kubo, Y. Ueda, T. Fujita, S. Ide, N. Ohno, A. Hatayama, A. Ejiri, T. Yamaguchi, H. Togashi, Y. Takase, A. Fukuyama, O. Mitarai
Organizer
8th IAEA Technical Meeting on Steady State Operations of Magnetic Fusion Devices
Place of Presentation
奈良
Year and Date
2015-05-26 – 2015-05-29
Int'l Joint Research
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[Presentation] Gas balance and permeation probes for hydrogen retention analysis in QUEST2015
Author(s)
A. Kuzmin, H. Zushi, I. Takagi, K. Hanada, Y. Hirooka, H.Zhou, M. Kobayashi, M. Sakamoto, S. K. Sharma, A. Rusinov, N. Yoshida, K. Nakamura, A. Fujisawa, K. Matsuoka, H. Idei, Y. Nagashima, M. Hasegawa, T. Onchi, K. Mishra
Organizer
8th IAEA Technical Meeting on Steady State Operations of Magnetic Fusion Devices
Place of Presentation
奈良
Year and Date
2015-05-26 – 2015-05-29
Int'l Joint Research
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[Presentation] Current Status and Prospect of Plasma Control System for Steady-state Operation on QUEST2015
Author(s)
Makoto Hasegawa, Kazuo Nakamura, Hideki Zushi, Kazuaki Hanada, Akihide Fujisawa, Kazutoshi Tokunaga, Hiroshi Idei, Yoshihiko Nagashima, Shoji Kawasaki, Hisatoshi Nakashima, and Aki Higashijima
Organizer
10 th IAEA Technical Meeting on Control, Data Acquisition and Remote Participation for Fusion Research
Place of Presentation
Ahmedabad,Gujarat,India
Year and Date
2015-04-20 – 2015-04-24
Int'l Joint Research