2013 Fiscal Year Research-status Report
核融合原型炉での大熱流処理に向けた先進ダイバータのシミュレーション設計と検証
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25420899
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Grant-in-Aid for Scientific Research (C)
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| Research Institution | Japan Atomic Energy Agency |
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Principal Investigator |
朝倉 伸幸 独立行政法人日本原子力研究開発機構, 核融合研究開発部門 六ヶ所核融合研究所, 研究主幹 (10222572)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
星野 一生 独立行政法人日本原子力研究開発機構, 核融合研究開発部門 六ヶ所核融合研究所, 研究員 (50513222)
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| Project Period (FY) |
2013-04-01 – 2016-03-31
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| Keywords | 先進ダイバータ / 原型炉概念設計 / スーパーＸ型ダイバータ / 雪結晶型ダイバータ / プラズマ平衡磁場 / ダイバータシミュレーション / 国際情報交換 / 米国 |
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| Research Abstract |
平成25年度は、ITERサイズで核融合出力約3GWの原型炉SlimCSサイズに設置するスーパーＸ型ダイバータ(SXD)および雪結晶型ダイバータ(SFD)について、プラズマ平衡を計算するとともに、ダイバータコイルの設置位置およびダイバータ形状の検討を行った。プラズマ平衡磁場コードの改善を行い、先進ダイバータ・プラズマの平衡解を自動的に得ることが可能となった。トロイダルコイルと真空容器との間の空間に複数のダイバータコイル(インターリンクコイル)を設置することにより、コイル電流の低下が可能で有り、目的のプラズマ平衡磁場配位が得られた。
ヌル点からダイバータ板までの磁力線に沿う距離は、SXDおよびSFD共に通常のダイバータ配位と比較して1.5-2倍に増加するため、プラズマを低温化できる利点がある。SXD はSFDよりもサイズが大きくなるが、インターリンクコイル数および電流を少なくできること、主プラズマの形状制御への影響が少ないこと、閉型のダイバータ形状が設計できることなど原型炉の物理および工学設計に有利であると考えられる。今後はまずSXDの物理および工学設計を優先的に進める。
SXDにおけるシミュレーションを行うため、プラズマ平衡磁場を基に計算メッシュを作成し、シミュレーションコード(SONIC)による計算を行い初期結果を得た。今後、ダイバータ形状や排気溝の位置などについて調整し、検討を進める。
トカマク実験では、現在、コンパクトなダイバータで長い磁力線距離が得られるSFD実験を行う装置(国外のみ)が多い。プラズマ閉じこめ性能が高く、大きな加熱能力をもつ米国ジェネラルアトムックス社のDIII-Dトカマク実験に参加し、ダイバータ板へのプラズマ負荷が低減する実験結果について解析を行った。また、国内の専門家（4―6名）と打合せを3度実施し、上記の結果の報告および計画について議論した。
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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
主に以下の３項目について検討を進めた。
目的１：原型炉における先進ダイバータ設計の課題を明らかにし、物理および工学分野における将来の開発要素を示す：最も優先する課題として、先進ダイバータ用のプラズマ平衡磁場コードの整備を行い、SXD とSFDの平衡磁場配位とポロイダルコイル配置（インターリンクコイルの必要性など）について比較を行った。原型炉の概念設計ではトカマク実験装置と異なり多くの工学的な制約があるが、そうした観点からトカマク原型炉への設置にSXDが有利であることを明らかにした。本年度の達成度は90%（最終目的への達成度は40%）の達成率であり、今後さらに優先的にSXDの工学検討を進める予定である。
目的２：原型炉に相当する熱流・粒子流の条件下でダイバータ・シミュレーションを実施し、原型炉に適した磁場配位およびダイバータ形状の検討を行う：目的1に記したSXD平衡磁場配位を利用して、ダイバータシミュレーションに必要な計算メッシュを作成し、初期計算を実施した。本年度の達成度は80%（最終目的への達成度は20%）であり、今後、非接触プラズマを生成し効率的に熱負荷を低減するためダイバータ形状および排気溝位置などの物理設計を進める予定である。
目的３：近年トカマク装置で提案されている先進ダイバータ概念について実験結果の検証を行う：過去10年程度の文献の検索を行った。DIII-Dトカマク実験に参加し、実際にダイバータ板へのプラズマ熱・粒子負荷が低減する実験結果について解析を行い、通常のダイバータプラズマとの相違点について米国のダイバータ研究の専門家と議論を行った。本年度の達成度は100%（最終目的への達成度は20%）であり、今後も実験に参加する予定である。
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| Strategy for Future Research Activity |
引き続き３項目の研究推進方策と現状研究成果の発表を進める。
目的１：原型炉における先進ダイバータ設計の課題を明らかにし、物理および工学分野における将来の開発要素を示す： SXDの物理設計を進めダイバータ形状を決めた後、工学検討（ダイバータカセット、中性子シールドおよび真空容器等の形状、超伝導インターリンクコイルの検討）を進める。本年度は、プラズマ平衡配位の時間変化を計算するため高性能PCを購入し、SXDプラズマの立ち上げおよび立ち下げシナリオの検討とダイバータコイル電流の評価を開始する。
目的２：原型炉に相当する熱流・粒子流の条件下でダイバータ・シミュレーションを実施し、原型炉に適した磁場配位およびダイバータ形状の検討を行う：SONICコードを使用してダイバータプラズマのシミュレーションを進め、SXD物理設計を進める。放射損失を高め、効率的に非接触プラズマを生成する先進ダイバータの形状と排気溝の位置などを検討した後、目的1に記した工学設計に反映する。
目的３：近年トカマク装置で提案されている先進ダイバータ概念について実験結果の検証を行う：DIII-Dトカマク実験に参加し、先進ダイバータにおける非接触ダイバータ制御実験の進展に寄与すると共に、効率的に非接触ダイバータが発生する物理機構を明らかにする。
研究成果の発表と研究会の開催： 本年度に得られた先進ダイバータ（SXDおよびSFD）に関する検討成果を、国内学会（核融合エネルギー連合講演会およびPLASMA2014）および国際学会（PSI会議およびIAEA核融合エネルギー会議）で発表する。また、国内の専門家と打合せを実施し、結果の報告および計画について議論する。
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| Expenditure Plans for the Next FY Research Funding |
（１）プラズマ平衡の時間変化の計算には高速のPC(および関連ソフト類、データ保存用ディスクこみで約98万円)が必要であり、平成26年度に購入および整備を行い、平成27年度に本格的なプラズマ平衡の時間変化の計算を実施する計画であった。予定していた新型PCの発売が遅れ12月後半（事務の処理期限後）になり、平成27年度に購入することとした。
（２）平成26年度は国内研究者との打合せを研究会及び学会参加時に行ったため、国内旅費の使用を抑えられた。
（１）プラズマ平衡の時間変化の計算のため新型PCおよびプログラムソフト（約88万円）を平成27年に購入する。
（２）平成26および27年度の成果をPSI国際会議およびIAEA核融合エネルギー会議で発表するため、先進ダイバータ実験参加への出張旅費（70万円）のうち半分程度を使用する予定。平成27年度にDIII-Dで実施される先進ダイバータ実験へ1回参加をする予定。
（３）平成27年度には国内研究者との会合(数回）および国内学会(2件）への参加費用が必要となる。
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[Journal Article] Investigation of Advanced Divertor Magnetic Configuration for Demo Tokamak Reactor2013
Author(s)
Nobuyuki Asakura, Kichiro Shinya, Kenji Tobita, Kazuo Hoshino, Katsuhiro Shimizu, Hiroyasu Utoh, Youji Someya, Makoto Nakamura, Noriyashu Ohno, Masahiro Kobayashi, Hirohiko Tanaka
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Journal Title
Transactions of Fusion Science and Technology
Volume: 63
Pages: 70-75
Peer Reviewed
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[Presentation] Physics and Engineering Studies of Advanced Divertors for Tokamak Demo2013
Author(s)
Nobuyuki Asakura, Kazuo Hoshino, Hiroyasu Utoh, Kichiro Shinya, Youji Someya, Katsuhiro Shimizu, Kenji Tobita, Shinsuke Tokunaga, Noriyashu Ohno
Organizer
2nd IAEA DEMO Programme Workshop
Place of Presentation
IAEA Headquarters, Vienna, Austria
Year and Date
20131217-20131220
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