Reduction of heat load on divertor by turbulence and transport

• Project/Area Number: 23K20838
• Project/Area Number (Other): 21H01066 (2021-2023)
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research (B)
• Allocation Type: Multi-year Fund (2024); Single-year Grants (2021-2023)
• Section: 一般
• Review Section: Basic Section 14020:Nuclear fusion-related
• Research Institution: Kyushu University
• Principal Investigator: 小菅 佑輔 九州大学, 応用力学研究所, 准教授 (00700296)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 永島 芳彦 九州大学, 応用力学研究所, 准教授 (90390632)
• Project Period (FY): 2021-04-01 – 2026-03-31
• Project Status: Granted (Fiscal Year 2024)
• Budget Amount: ¥17,160,000 (Direct Cost: ¥13,200,000、Indirect Cost: ¥3,960,000); Fiscal Year 2025: ¥2,990,000 (Direct Cost: ¥2,300,000、Indirect Cost: ¥690,000); Fiscal Year 2024: ¥2,600,000 (Direct Cost: ¥2,000,000、Indirect Cost: ¥600,000); Fiscal Year 2023: ¥3,770,000 (Direct Cost: ¥2,900,000、Indirect Cost: ¥870,000); Fiscal Year 2022: ¥4,810,000 (Direct Cost: ¥3,700,000、Indirect Cost: ¥1,110,000); Fiscal Year 2021: ¥2,990,000 (Direct Cost: ¥2,300,000、Indirect Cost: ¥690,000)
• Keywords: 核融合 / 乱流プラズマ / ダイバータ / 輸送 / 熱負荷 / 核融合プラズマ / 乱流 / 熱負荷制御 / SOL / スクレイプオフ層 / 輸送モデリング

Outline of Research at the Start

核融合エネルギーの実現に向けた研究において、核融合プラズマから放出される熱エネルギーは最終的にダイバーターと呼ばれる構造物へと放出され、この熱負荷を低減することは核融合の成否を握る重要課題である。本研究では、この熱負荷軽減に、プラズマに励起される乱流を駆使して挑戦している。理論モデルの構築と基礎実験による検証を両輪とし、この難問に挑戦するものである。

Outline of Annual Research Achievements

本研究では、乱流輸送によりスクレイプオフ層(SOL)の厚みを制御できるのか、という問いに挑戦する。そのためには、核融合の周辺領域に励起されうる乱流の種類やその輸送特性を把握することが必要となる。理論モデルを構築し揺動や輸送特性の分類を進め、実験データ解析による検証を進めている。 今年度の研究では、核融合プラズマの周辺領域への応用を念頭に置いたモデルの開発に着手した。すなわち、前年度までに明らかにしていた磁化プラズマにおける一発大波の励起について、周辺領域に存在する不純物粒子を含む理論モデルの開発に成功した。これにより、不純物濃度や速度を用いた一発大波の制御が理論的に可能となり、不純物の排出に関する新たな方法を提唱することができた。不純物速度が重要なパラメータであることを示し、幅広い核融合プラズマへの応用を念頭に置き、プラズマのアスペクト比に着目した不純物速度の解析に着手した。球場トカマクへの応用について端緒を得た。実験データ解析にも進捗があった。すなわち、高速掃引による電子温度揺動と密度揺動の同時取得を可能とするシステムを開発した。実際の直線プラズマ実験に実装し、0.6秒の放電に対し200MHz サンプリングによるデータ取得が可能となった。これらの成果について、プラズマ核融合学会や日本物理学会、Asia Transport Working Group などの国内外の学会にて報告した。成果を論文としてまとめ、J. Phys. Soc. Japan やPlasma Phys. Control. Fusion などの学術誌に投稿した。

Current Status of Research Progress

2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.

Reason

揺動特性の分類を電子の運動やイオンの運動の違いに着目して進め、好まれる非線形構造や輸送の解析を進めることを目的としている。本年度の研究では、理論解析の主要課題である揺動の非線形発展の解析に着手し、津波の励起モデルに対して不純物イオンの効果を取り込むことに成功した。高速掃引によるプローブデータの取得にも成功し、電子温度揺動と密度揺動を評価する基盤が得られた。これらの結果より順調に進展していると判断する。

Strategy for Future Research Activity

これまでの研究から磁化プラズマでは非線形的に一発大波と同様の構造が励起され、不純物イオンの存在がその励起に影響を与えることが判明した。今後の研究では、位相差を持つ電子揺動の影響や、電磁的揺動の効果を含めた系に拡張を進め、同時に一発大波の発生の頻度や確率的なノイズを含めた場合の解析に着手する。実験データ解析では、ADCの増設によって収集データ量が増大したことに伴い、データ通信の高速化を行い、各種揺動の評価及びフラックスの評価を可能とすることで、励起される揺動に応じた輸送特性の変化を捉えることに挑戦する。

Research Products

• [Int'l Joint Research] University de Lorraine(フランス)
• [Int'l Joint Research] University of California, San Diego(米国)
• [Journal Article] Mass dependency of high-wavenumber turbulence in a linear partially magnetized plasma (2024)
  • Author(s): Kawachi Yuichi、Sasaki Makoto、Nishizawa Takashi、Kosuga Yusuke、Terasaka Kenichiro、Inagaki Shigeru、Yamada Takuma、Kasuya Naohiro、Moon Chanho、Nagashima Yoshihiko、Fujisawa Akihide
  • Journal Title: Physics of Plasmas Volume: 31 Issue: 4 Pages: 1-5
  • DOI: 10.1063/5.0187997
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] A Proposal to Evaluate Electron Temperature and Electron Density Fluctuations Using Dual Wavelength Emission Intensity Tomography in a Linear Plasma (2023)
  • Author(s): Nagashima Yoshihiko、Fujisawa Akihide、Yamasaki Kotaro、Inagaki Shigeru、Moon Chanho、Kin Fumiyoshi、Kawachi Yuichi、Arakawa Hiroyuki、Yamada Takuma、Kobayashi Tatsuya、Kasuya Naohiro、Kosuga Yusuke、Sasaki Makoto、Ido Takeshi
  • Journal Title: Journal of the Physical Society of Japan Volume: 92 Issue: 3 Pages: 033501-033501
  • DOI: 10.7566/jpsj.92.033501
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] A fate of nonlinear evolution of drift waves: Excitation of nonlinear breathers (2022)
  • Author(s): Kosuga Y.、Inagaki S.、Kawachi Y.
  • Journal Title: Physics of Plasmas Volume: 29 Issue: 12 Pages: 122301-122301
  • DOI: 10.1063/5.0122295
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Spatiotemporal dynamics of high-wavenumber turbulence in a basic laboratory plasma (2022)
  • Author(s): Kawachi Yuichi、Sasaki Makoto、Kosuga Yusuke、Terasaka Kenichiro、Nishizawa Takashi、Yamada Takuma、Kasuya Naohiro、Moon Chanho、Inagaki Shigeru
  • Journal Title: Scientific Reports Volume: 12 Issue: 1 Pages: 19799-19799
  • DOI: 10.1038/s41598-022-23559-1
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Presentation] 核融合プラズマ研究の最近の動向 (2024)
  • Author(s): 小菅佑輔
  • Organizer: 応用物理学会春季学術講演会
  • Invited
• [Presentation] Breather excitation in multi-species fusion plasmas (2023)
  • Author(s): Y. Kosuga
  • Organizer: 10th Asia Pacific Transport Working Group
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 複数イオン種を含むプラズマにおけるブリーザーの励起 (2023)
  • Author(s): 小菅佑輔、J. Bourgeois, M. Lesur, 小山一輝
  • Organizer: 日本物理学会秋季大会
• [Presentation] A review of phase space turbulence: why it is important (2023)
  • Author(s): Y. Kosuga
  • Organizer: AAPPS-DPP
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Excitation of nonlinear breathers in magnetized plasmas (2022)
  • Author(s): Y. Kosuga
  • Organizer: 6th Asia Pacific Conference on Plasma Physics
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Parallel Velocity Gradient Driven Turbulence and Impurity Transport (2022)
  • Author(s): Y. Kosuga, J. Bourgeois, M. Lesur, I. Oyama
  • Organizer: プラズマ核融合学会第３９回年会
• [Presentation] ドリフトブリーザーの励起による輸送フラックスの変化 (2022)
  • Author(s): 小菅佑輔、稲垣滋、河内裕一
  • Organizer: 日本物理学会2022年秋季大会
• [Presentation] 核融合周辺プラズマのスクレイプオフ層幅に対する乱流揺動の影響 (2022)
  • Author(s): 小菅佑輔、永島芳彦、新井慎平
  • Organizer: 日本物理学会
• [Presentation] 核融合周辺(SOL)プラズマにおける密度及び温度揺動特性 (2022)
  • Author(s): 小菅佑輔、新井慎平
  • Organizer: 閉じ込め輸送研究会「プラズマの定量的予測と制御に向けたトロイダルプラズマの燃焼閉じ込め、輸送に関する研究」