ストキャスティック磁場による高Z不純物遮蔽の定量評価と輸送モデルの検証

2015 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 25420893
• Research Institution: National Institute for Fusion Science
• Principal Investigator: 小林 政弘 核融合科学研究所, ヘリカル研究部, 准教授 (30399307)
• Project Period (FY): 2013-04-01 – 2016-03-31
• Keywords: 核融合 / ストキャスティック磁場 / 不純物輸送 / 分光計測 / 数値シミュレーション

Outline of Annual Research Achievements

以下の研究成果が得られた。
１．分光およびボロメータから得られたそれぞれの不純物の2次元発光分布とシミュレーションの比較から、現行の輸送モデルでは、不純物の磁力線に垂直方向の輸送係数を過小評価していることが明らかになった。また、ダイバータ板以外の第一壁からの不純物の発生量が少なからずあることが示された。
２．外部摂動磁場を印加することにより、鉄およびヘリウム不純物の遮蔽がより効果的になることがわかった。これは以前に観測された炭素不純物の遮蔽効果と同様の結果である。摂動磁場によって周辺部のストキャスティック磁場領域が拡がり、遮蔽効果の促進につながったと考えられる。また今回の結果からこの効果が不純物種にほぼ依存しない効果であることもわかった。
３．2次元可視分光計測から、炭素不純物の磁力線方向の流れの2次元分布を得ることに成功した。流れはダイバータ板につながる磁力線の向きに強い相関があり、低密度プラズマではダイバータ板から閉じ込め領域の向きに、高密度の時はダイバータ板に向かって流れることがわかった。速度の絶対値としては～10000 m/sで、これは燃料粒子イオンのほぼ40～50%程度の速度に対応している。密度に対して流れの向きが変わることは、モデルでも予測されており、今後詳細な比較を進めることで磁力線方向の輸送モデルの検証が進むことが期待される。
４．不純物遮蔽について磁場構造、プラズマパラメータが大きく違う装置間で比較を行い、遮蔽に有効なパラメータとその運転領域の同定を行った。
以上の成果は、将来の核融合炉設計におけるダイバータの最適化にむけて、高Ｚ不純物の振る舞いを予測するための重要な知見であり、また同課題の更なる研究の足がかりを得ることができた。

Research Products

• [Int'l Joint Research] マックスプランク研究所(ドイツ)
  • Country Name: GERMANY
  • Counterpart Institution: マックスプランク研究所
• [Int'l Joint Research] 西南物理研究所(中国)
  • Country Name: CHINA
  • Counterpart Institution: 西南物理研究所
• [Int'l Joint Research] ウィスコンシン大学(米国)
  • Country Name: U.S.A.
  • Counterpart Institution: ウィスコンシン大学
• [Int'l Joint Research] カダラッシュ研究所(フランス)
  • Country Name: FRANCE
  • Counterpart Institution: カダラッシュ研究所
• [Journal Article] Dynamics of three-dimensional radiative structures during RMP assisted detached plasmas on the large helical device and its comparison with EMC3-EIRENE modeling (2016)
  • Author(s): Shwetang N. Pandya, Byron J. Peterson, Masahiro Kobayashi, Katsumi Ida, Kiyofumi Mukai, Ryuichi Sano, Junichi Miyazawa, Hirohiko Tanaka, Suguru Masuzaki, Tsuyoshi Akiyama, Gen Motojima, Noriyasu Ohno, LHD Experiment Group
  • Journal Title: Nuclear Fusion Volume: 56 Pages: 046002
  • DOI: doi:10.1088/0029-5515/56/4/046002
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] EMC3-EIRENE modelling of edge impurity transport in the stochastic layer of the large helical device compared with extreme ultraviolet emission measurements (2016)
  • Author(s): Shuyu Dai, M. Kobayashi, G. Kawamura, S. Morita, H.M. Zhang, T. Oishi, Y. Feng, D.Z. Wang, Y. Suzuki, the LHD Experimental Group
  • Journal Title: Nuclear Fusion Volume: 56 Pages: 066005
  • DOI: doi:10.1088/0029-5515/56/6/066005
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research / Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] EMC3-EIRENE simulation of impurity transport in comparison with EUV emission measurements in the stochastic layer of LHD: Effects of force balance and transport coefficients (2016)
  • Author(s): S. Y. Dai, M. Kobayashi, G. Kawamura, S. Morita, T. Oishi, H. M. Zhang, X. L. Huang, Y. Feng, D. Z. Wang, Y. Suzuki, the LHD experiment group
  • Journal Title: Contributions to Plasma Physics Volume: 印刷中 Pages: 印刷中
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research / Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] Impact of 3D magnetic field structure on boundary and divertor plasmas in stellarator/heliotron devices (2015)
  • 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
  • Journal Title: Journal of Nuclear Materials Volume: 463 Pages: 2-10
  • DOI: http://dx.doi.org/10.1016/j.jnucmat.2015.01.011
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] 3D effects of edge magnetic field configuration on divertor/scrape-off layer transport and optimization possibilities for a future reactor (2015)
  • Author(s): M. Kobayashi, Y. Xu, K. Ida, Y. Corre, Y. Feng, O. Schmitz, H. Frerichs, F.L. Tabares, T.E. Evans, J.W. Coenen, 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 and S. Masuzaki
  • Journal Title: Nuclear Fusion Volume: 55 Pages: 104021
  • DOI: doi:10.1088/0029-5515/55/10/104021
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Effect of neutral hydrogen on edge impurity behavior in stochastic magnetic field layer of Large Helical Device (2015)
  • Author(s): S. Morita, M. Kobayashi, T. Oishi, H.M. Zhang, M. Goto, Z.Y. Cui, C.F. Dong, L.Q. Hu, X.L. Huang, G. Kawamura, S. Masuzaki, I. Murakami, E.H. Wang
  • Journal Title: Journal of Nuclear Materials Volume: 463 Pages: 644-648
  • DOI: http://dx.doi.org/10.1016/j.jnucmat.2014.12.055
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Evaluation of Poloidal Distribution from Edge Impurity Emissions Measured at Different Toroidal Positions in Large Helical Device (2015)
  • Author(s): Hongming ZHANG, Shigeru MORITA, Tetsutarou OISHI, Masahiro KOBAYASHI, Motoshi GOTO, Xianli HUANG
  • Journal Title: Plasma and Fusion Research Volume: 10 Pages: 3402038
  • DOI: DOI: 10.1585/pfr.10.3402038
  • Peer Reviewed
• [Presentation] Relation between hydrogen/impurity emission distributions and stochastic magnetic field structure in LHD (2015)
  • Author(s): 小林政弘、森田繁、後藤基志、佐野竜一、ピーターソン・バイロン、ＬＨＤ実験グループ
  • 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･豊田講堂
  • Year and Date: 2015-11-24 – 2015-11-27
• [Presentation] Relation between impurity/hydrogen emissions and edge stochastic magnetic structure at detachment transition observed in LHD divertor region (2015)
  • Author(s): M. Kobayashi, S. Morita, M. Goto, R. Sano, B.J. Peterson, the LHD experiment group
  • Organizer: 20th International Stellarator-Heliotron Workshop
  • Place of Presentation: Greifswald, Germany
  • Year and Date: 2015-10-05 – 2015-10-09
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Effects of stochastic magnetic boundaries on divertor optimizations (2015)
  • Author(s): M. Kobayashi
  • Organizer: 1st IAEA Technical Meeting on Divertor Concepts
  • Place of Presentation: IAEA Headquarters, Vienna, Austria
  • Year and Date: 2015-09-29 – 2015-10-02
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Transport and exhaust in helical divertors (2015)
  • Author(s): M. Kobayashi, S. Masuzaki, G. Motojima, M. Tokitani, M. Shoji, H. Tanaka, T. Morisaki, the LHD experiment group
  • Organizer: 597th Wilhelm and Else Heraeus Seminar, Stochasticity in Fusion Plasmas
  • Place of Presentation: Physikzentrum Bad Honnef, Germany
  • Year and Date: 2015-09-10 – 2015-09-12
  • Int'l Joint Research / Invited