Physics and macro control of particle circulation in a multi hierarchical complex-open system

2016 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 24226020
• 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)
• 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)
• Project Period (FY): 2012-05-31 – 2017-03-31
• Keywords: 多階層 / 複雑・開放系 / 粒子循環 / 自発回転 / 定常トカマク

Outline of Annual Research Achievements

核融合炉の定常化に向けて“多階層複雑・開放系における粒子循環物理とマクロ制御”という観点で金属壁、境界プラズマ、コアプラズマ領域から構成される入れ子状の複雑系における粒子循環・密度・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を目的とした。これまでに、１）電子サイクロトロン波による非誘導電流駆動と定常維持、２）トカマク運転の定常運転と粒子循環制御法の開発、３）SOL領域のプラズマ揺らぎの特性と可視化および流れ計測、４）温度制御可能な高温壁の導入による壁循環の拘束　などを目標に成果をあげてきた。具体的には高周波による駆動電流値として、最終目標である高周波パワー1MWで駆動電流値100kAの駆動効率に対し、140kW で70kAと5倍の効率を達成することができた。これは電子サイクロトン波第2高調波を用いた非軸上電流駆動としては世界最高値である。また定常プラズマ維持に関しては、粒子注入周期帰還制御法の開発と循環レベル制御に加えて粒子応答関数の適用や高温壁による粒子循環の拘束を用いてトカマク放電時間820秒(壁温100度2015年), 6時間(壁温200度2016年)と着実に世界記録を更新している。
予測性能を高めるための物理手法の開発とその背景素過程の理解のために、外部摂動と粒子循環の応答関数の決定、応答関数の時間発展や粒子循環確率密度分布を取得し、それらを利用した定常運転制御法を実証した。粒子循環とプラズマ流れの関係について、分光Doppler法、Machプローブ法、高速カメラ流速計法を独自に開発し、単純トーラス配位、内側ヌル点トカマク配位、リミッター配位など様々な磁場配位で自発回転の発現条件を確認した。これらは特に運動量注入のない高周波プラズマで観測されたものである。とくに強力なパフ注入により回転方向の反転（逆プラズマ電流方向）と順方向への緩和を確認した。

Research Progress Status

28年度が最終年度であるため、記入しない。

Strategy for Future Research Activity

28年度が最終年度であるため、記入しない。

Research Products

• [Journal Article] Spatial distribution of atomic and ion hydrogen flux and its effect on hydrogen recycling in long duration confined and non-confined plasmas (2017)
  • Author(s): A. Kuzmin, H. Zushi, I. Takagia, S. K. Sharma, M. Kobayashi, Y. Hirooka, T. Onchi, K. Hanada, N. Yoshida, K. Nakamura, A. Fujisawa, H. Idei, Y. Nagashima, M. Hasegawa, T. Mutoh, K. Mishra, H. Ohwada
  • Journal Title: Nuclear Materials and Energy Volume: 印刷中 Pages: -
  • DOI: 10.1016/j.nme.2017.03.027
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research / Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] Hydrogen flux measurements with permeation probes in speherical tokamak QUEST (2016)
  • Author(s): A.Kuzmin, H.Zushi, I.Takagi, S.K.Sharma, Y.Hirooka, M.Kobayashi, M.Sakamoto, K.Hanada, T.Onchi, Y.Oyama, N.Yoshida, K.Nakamura, A.Fujisawa, H.Idei, Y.Nagashima, M.Hasegawa, K.Mishra
  • Journal Title: Vacuum Volume: 129 Pages: 178-182
  • DOI: 10.1016/j.vacuum.2016.04.025
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research / Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] Characteristic of a pdCu membrane as atomic hydrogen probe for QUEST (2016)
  • Author(s): Masayuki Onaka, Ikuji Takagi, Taishi Kobayashi, TakayukiSasaki, Arseniy Kuzmin, Hideki Zushi
  • Journal Title: Nuclear Materials and Energy Volume: 9 Pages: 104-108
  • DOI: 10.1016/j.nme.2016.09.001
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Origin and Evolution of Spontaneous Rotation in Plasma under different Magnetic Field Geometry in Tokamak QUEST (2016)
  • Author(s): Mishra Kishore, Zushi Hideki, Idei Hiroshi, Onchi Takumi, Hasegawa Makoto, Hanada Kazuaki
  • Journal Title: IEEE Transactions on Plasma Science Volume: - Pages: 15360875
  • DOI: 10.1109/PLASMA.2015.7179899
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Response of the far scrape-off layer plasma to strong gas puffing in the high poloidal beta configuration on the QUEST spherical tokamak (2016)
  • Author(s): Onchi, Takumi; Zushi, Hideki; Mishra, Kishore; Oyama, Yuya; Nagashima, Yoshihiko; Hanada, Kazuaki; Idei, Hiroshi; Hasegawa, Makoto; Kuzmin, Arseniy; Miura, Hiroki; Nakamura, K; Fujisawa, Akihide; Nagaoka, Kenichi
  • Journal Title: Plasma Physics and Controlled Fusion Volume: 58 Pages: No.11,115004
  • DOI: 10.1088/0741-3335/58/11/115004
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research / Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] Observation of an edge coherent mode and poloidal flow in the electron cyclotron wave induced high βp plasma in QUEST (2016)
  • Author(s): Santanu Banerjee, H. Zushi, N. Nishino, K. Mishra, Y. Mahira, S. Tashima, A. Ejiri, T. Yamaguchi, T. Onchi, Y. Nagashima, K. Hanada, K. Nakamura, H. Idei, M. Hasegawa, A. Fujisawa, A. Kuzmin and K. Matsuoka
  • Journal Title: Physics of Plasmas Volume: 23 Pages: 082507
  • DOI: 10.1063/1.4960117
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Comparative studies of inner and outer divertor discharges and a fueling study in QUEST (2016)
  • Author(s): O. Mitarai, K. Nakamura, M. Hasegawa, T. Onchi, H. Idei, A. Fujisawa, K. Hanada, H. Zushi, A. Higashijima, H. Nakashima, S. Kawasaki, QUEST group, K. Matsuoka, S. Koike, T. Takahashi, H. Tsutsui
  • Journal Title: Fusion Engineering and Design Volume: 109-111, PartB Pages: 1624-1630
  • DOI: 10.1016/j.fusengdes.2015.12.022
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Power balance estimation in long duration discharges on QUEST (2016)
  • Author(s): K.Hanada, H.Zushi, H.Idei, K.Nakamura, M.Ishiguro, S.Tashima, E.I.Kalinnikova, Y.Nagashima, M.Hasegawa, A.Fujisawa, A.Higashijima, S.Kawasaki, H.Nakashima, O.Mitarai, A.Fukuyama, Y.Takase, X. Gao, H.Liu,
  • Journal Title: Plasma Science and Technology Volume: 18, No.11 Pages: 1069-1075
  • DOI: 10.1088/1009-0630/18/11/03
  • Peer Reviewed / Open Access / Acknowledgement Compliant
• [Presentation] 単純toroidal磁化plasma配位におけるトロイダル流反転結果とdrift-fluid modelによる解析 (2017)
  • Author(s): 図子秀樹，Kishore Mishra，四竈泰一，永島芳彦，花田和明，恩地拓己、
  • Organizer: 日本物理学会 第72回年次大会
  • Place of Presentation: 大阪大学
  • Year and Date: 2017-03-17 – 2017-03-20
• [Presentation] QUESTにおける高温壁を用いた水素リサイクリングの壁温依存性評価 (2017)
  • Author(s): 花田 和明、吉田 直亮、龍 昊、王 正興、中村 一男、出射 浩、藤澤 彰英、永島芳彦、長谷川 真、恩地 拓巳、渡辺 理、Kuzmin Arseniy、
  • Organizer: 日本物理学会 第72回年次大会
  • Place of Presentation: 大阪大学
  • Year and Date: 2017-03-17 – 2017-03-20
• [Presentation] Self Organization of Plasma Equilibrium at Poloidal Beta limit (2016)
  • Author(s): Kishore Mishra, H. Zushi, H. Idei, T. Onchi and QUEST Team
  • Organizer: Joint 13th Asia Pacific Physics Conference and 22nd Australia Institute of Physics Congress
  • Place of Presentation: オーストラリア（ブリスベン）
  • Year and Date: 2016-12-04 – 2016-12-08
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Study of edge turbulence and convective intermittent transport in the spherical tokamaks QUEST and NSTX (2016)
  • Author(s): Santanu Banerjee, H. Zushi, N. Nishino, A. Diallo, S. J. Zweben, H. Idei, K. Hanada, and T. Stoltzfus-Dueck
  • Organizer: Joint 13th Asia Pacific Physics Conference and 22nd Australian Institute of Physics Congress
  • Place of Presentation: オーストラリア（ブリスベン）
  • Year and Date: 2016-12-04 – 2016-12-08
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 球状トカマクQUESTにおけるトロイダル分割型ダイバータバイアシングによる周辺・SOLプラズマ制御実験計画と予備実験 (2016)
  • Author(s): 東井和夫、図子秀樹、恩地拓己、中村一男、長谷川真、出射浩、花田和明、QUEST実験グループ
  • Organizer: プラズマ核融合学会第33回年会
  • Place of Presentation: 東北大学
  • Year and Date: 2016-11-29 – 2016-12-02
• [Presentation] QUEST高温壁における一時間を超える長時間放電の粒子バランス解析 (2016)
  • Author(s): 花田和明、中村一男、出射浩、長谷川真、図子秀樹、吉田直亮、Kuzmin Arseniy、恩地拓巳、渡辺理、川崎昌二、中島寿年、東島亜紀、永田貴大、大和田裕晃、龍昊、藤澤彰英、永島芳彦、渡辺英雄、川口晃、荒木邦明、高瀬雄一、福山淳、御手洗修、高木郁二、大矢恭久、宮本光貴、QUESTグループ
  • Organizer: プラズマ核融合学会第33回年会
  • Place of Presentation: 東北大学
  • Year and Date: 2016-11-29 – 2016-12-02
• [Presentation] Non-inductive Electron Cyclotron Heating and Current Drive with Dual Frequency (8.2 /28 GHz) Waves in QUEST (2016)
  • Author(s): H. Idei, T. Onchi, T. Kariya, K. Hanada, T. Imai, A. Ejiri, O. Watanabe, K. Mishra,
  • Organizer: FEC-26(IAEA)
  • Place of Presentation: 京都
  • Year and Date: 2016-10-17 – 2016-10-22
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Investigation of hydrogen recycling property and its control with hot wall in long duration discharges on QUEST (2016)
  • Author(s): K. Hanada, N. Yoshida, T. Honda, Z. Wang, A. Kuzmin, I. Takagi, T. Hirata, Y.Oya, M.Miyamoto, H. Zushi, M. Hasegawa, K. Nakamura, A. Fujisawa, H. Idei,
  • Organizer: FEC-26(IAEA)
  • Place of Presentation: 京都
  • Year and Date: 2016-10-17 – 2016-10-22
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 開磁気面トロイダルスラブプラズマにおけるトロイダル流反転と垂直磁気場・配位依存性 (2016)
  • Author(s): 図子秀樹、Kishore Mishra、永島芳彦、四竃泰一、恩地拓己、花田和明、出射 浩、長谷川真、藤澤彰英、中村一男、QUEST Team
  • Organizer: 日本物理学会秋季大会
  • Place of Presentation: 金沢大学
  • Year and Date: 2016-09-13 – 2016-09-16
• [Presentation] Plasma equilibrium based on RF-driven current profile without assuming nested magnetic surfaces on QUEST (2016)
  • Author(s): Kazuo NAKAMURA, Md Mahbub ALAM, Yanzheng JIANG, Osamu MITARAI, Kenichi KURIHARA, Yoichi KAWAMATA, Michiharu SUEOKA, Manabu TAKECHI, Makoto HASEGAWA, Hideki ZUSHI, Kazuaki HANADA, Akihide FUJISAWA, Hiroshi IDEI, Yoshihiko NAGASHIMA, Aki HIGASHIJIMA, Takahiro NAGATA, Atsushi FUKUYAMA, et.al.
  • Organizer: 29th SYMPOSIUM ON FUSION TECHNOLOGY
  • Place of Presentation: Prague, Czech Republic
  • Year and Date: 2016-09-05 – 2016-09-09
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] QUESTにおけるサニャック干渉型光CTによるTFC電流微細測定 (2016)
  • Author(s): 中村一男、御手洗修、飯尾俊二、長谷川真、徳永和俊、荒木邦明、図子秀樹、花田和明、藤澤彰英、出射浩、永島芳彦、川崎昌二、東島亜紀、永田貴大
  • Organizer: 第11回核融合エネルギー連合講演会
  • Place of Presentation: 九州大学伊都キャンパス
  • Year and Date: 2016-07-14 – 2016-07-15
• [Presentation] QUESTにおけるプラズマ長時間維持研究の進展 (2016)
  • Author(s): 花田和明、中村一男、出射 浩、長谷川 真、図子秀樹、吉田直亮、Kuzmin Arseniy、恩地拓己、渡辺理、川崎昌二、中島寿年、東島亜紀、永田貴大、藤澤彰英、永島芳彦、渡辺英雄、川口晃、荒木邦明、高瀬雄一、福山淳、御手洗修、高木郁二、江尻晶、畑山明聖、Roger Raman、小野雅之、他
  • Organizer: 第11回核融合エネルギー連合講演会
  • Place of Presentation: 九州大学伊都キャンパス
  • Year and Date: 2016-07-14 – 2016-07-15
  • Invited
• [Presentation] Quaternion Analysis of Three-Phase Matrix Converter Switching Method (2016)
  • Author(s): K.Nakamura, Irfan Jamil, Xiaolong Liu, Osamu Mitarai, Makoto Hasegawa, Kazutoshi Tokunaga, Kuniaki Araki, Hideki Zushi, Kazuaki Hanada, Akihide Fujisawa, Hiroshi Idei, Yoshihiko Nagashima, Shoji Kawasaki, Hisatoshi Nakashima, Aki Higashijima, Takahiro Nagata
  • Organizer: ICEE2016
  • Place of Presentation: 沖縄
  • Year and Date: 2016-07-04 – 2016-07-06
• [Presentation] Spatial distribution of the hydrogen retention in long duration discharges (2016)
  • Author(s): A. Kuzmin, H. Zushi, I. Takagi, S. K. Sharma, M. Kobayashi, Y. Hirooka, T. Onchi, Y. Oyama, K. Hanada, N. Yoshida, K. Nakamura, A. Fujisawa, H. Idei, Y. Nagashima, M. Hasegawa, T. Mutoh, K. Mishra, H. Ohwada
  • Organizer: PSI2016
  • Place of Presentation: イタリア（ローマ）
  • Year and Date: 2016-05-30 – 2016-06-03
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Investigation of the role of deposition layer in hydrogen recycling property on QUEST (2016)
  • Author(s): K. Hanada, N. Yoshida, T. Honda, Z. Wang, A. Kuzmin, I. Takagi, Y.Oya, M.Miyamoto,H. Zushi, M. Hasegawa, K. Nakamura, A. Fujisawa, H. Idei, Y. Nagashima, O. Watanabe, T. Onchi,
  • Organizer: PSI2016
  • Place of Presentation: イタリア（ローマ）
  • Year and Date: 2016-05-30 – 2016-06-03
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] ECRH induced plasma rotation dynamics in open and closed magnetic field configuration in tokamak QUEST (2016)
  • Author(s): Kishore Mishra
  • Organizer: 19th Joint workshop (EC-19) on Electron Cyclotron Emission (ECE) and Electron cyclotron Resonance Heating (ECRH)
  • Place of Presentation: インド（グジャラット）
  • Year and Date: 2016-04-04 – 2016-04-07
• [Book] Tritium: Fuel of Fusion Reactors (2017)
  • Author(s): Testsuo TANABE
  • Total Pages: 365
  • Publisher: Springer