トーラス型核融合システムの総合的研究

• 研究課題/領域番号: 03045051
• 研究種目: 国際学術研究
• 配分区分: 補助金
• 応募区分: 大学協力
• 研究機関: 核融合科学研究所
• 研究代表者: 藤田 順治 核融合科学研究所, 教授 (50023700)
• 研究分担者: PEEBLES W.A. カリフォルニア大学, ロサンジェルス校・電気工学科, 助教授 ; SCHMITZ L. カリフォルニア大学, ロサンジェルス校・プラズマ・核融合研究所, 研究員 ; LUHMAN N.C.J カリフォルニア大学, ロサンジェルス校・電気工学科, 教授 ; TAYLOR R.J. カリフォルニア大学, ロサンジェルス校・プラズマ・核融合研究所, 教授 ; HIROOKA Y. カリフォルニア大学, ロサンジェルス校・プラズマ・核融合研究所, 研究員 ; DECYK V.R. カリフォルニア大学, ロサンジェルス校・物理学科, 助教授 ; SYDORA R.D. カリフォルニア大学, ロサンジェルス校・物理学科, 研究員 ; DAWSON J.M. カリフォルニア大学, ロサンジェルス校・物理学科, 教授 ; CONN R.W. カリフォルニア大学, ロサンジェルス校・プラズマ・核融合研究所, 教授 ; 相良 明男 核融合科学研究所, 助教授 (20187058) ; 大薮 修義 (大藪 修義) 核融合科学研究所, 教授 (60203949) ; 井口 春和 核融合科学研究所, 助教授 (40115522) ; 森下 一男 核融合科学研究所, 助教授 (60109353) ; 東井 和夫 核融合科学研究所, 教授 (20093057) ; 野村 保夫 核融合科学研究所, 助手 (80156231) ; 羽鳥 尹承 核融合科学研究所, 教授 (80023729) ; 上村 鉄雄 核融合科学研究所, 教授 (20023731) ; W A Peebles カリフォルニア大学ロサンジェルス校, 電気工学科, 教授 ; L Schmitz カリフォルニア大学ロサンジェルス校, プラズマ・核融合研究所, 教授 ; N C Luhmann カリフォルニア大学ロサンジェルス校, 電気工学科, 教授 ; R J Taylor カリフォルニア大学ロサンジェルス校, プラズマ・核融合研究所, 教授 ; Y Hirooka カリフォルニア大学ロサンジェルス校, プラズマ・核融合研究所, 教授 ; V R Decyk カリフォルニア大学ロサンジェルス校, 物理学科, 研究員 ; R D Sydra カリフォルニア大学ロサンジェルス校, 物理学科, 研究員 ; J M Dawson カリフォルニア大学ロサンジェルス校, 物理学科, 教授 ; R W Conn カリフォルニア大学ロサンジェルス校, プラズマ・核融合研究所, 教授 ; LUHMANN N.C. カリフォルニア大学, ロサンジェルス校・電気工学科, 教授 ; SYDRA R.D. カリフォルニア大学, ロサンジェルス校・物理学科, 研究員
• 研究期間 (年度): 1991 – 1993
• 研究課題ステータス: 完了 (1993年度)
• 配分額: 5,400千円 (直接経費: 5,400千円); 1993年度: 1,800千円 (直接経費: 1,800千円); 1992年度: 1,800千円 (直接経費: 1,800千円); 1991年度: 1,800千円 (直接経費: 1,800千円)
• キーワード: 核融合 / プラズマ / プラズマ粒子シミュレーション / 電子密度計測 / マイクロ波反射計 / ジャイロ運動論的粒子モデル / 核融合炉設計 / プラズマ・壁相互作用 / プラズマ壁相互作用 / ボロナイゼイション / 電子密度測定 / ジャイロカイネティック粒子モデル / 粒子シミュレーション / ダイバ-タ / 粒子シミュレ-ション / 計算機シミュレ-ションコ-ド

研究概要

今年度をもって3年計画を終結する当国際学術研究では、1)磁場閉じ込めプラズマの挙動解明のための、トロイダル効果を取り入れた3次元ジャイロ運動論的粒子シミュレーションコードの開発、2)大型ヘリカル装置(LHD)のためのマイクロ波反射計の開発、3)閉じ込め改善実験結果の解析とLHDの閉じ込め改善に関するシナリオの作成、4)ヘリカルシステムをベースとした核融合炉の概念設計、以上4つの重点項目について交流を進めてきた。
1)3次元ジャイロ運動論的粒子シミュレーションコードの開発は、現在及び将来のトカマク、ステラレータ等の環状磁場閉じ込め装置における重要な課題である電磁流体力学的モード(MHD)モードを解析するためのものである。このシミュレーションは、電子・イオンの運動をジャイロ周期で軌道平均した方程式を基本式として用いるため、ジャイロ周波数以上の周波数を含まず、低周波の現象をシミュレーションすることができる。このシミュレーションの結果、磁気軸上の安全係数を1以下にしたとき、内部キンク不安定性が生じ、磁力線の再結合による磁気島の成長、磁気軸近傍のプラズマの消失等が観測され、実験結果の説明に役立った。また、トロイダル効果を含むシミュレーションコードを完成させ、高エネルギーイオンによる内部キンクモードの安定化、アルヴェン波の不安定化等のシミュレーションが可能となった。これらの研究により、ジャイロ運動論的粒子シミュレーションが運動論的効果を含めたMHDモードの解析へ適用可能であることが実証された。
2)マイクロ波反射計は、プラズマ中の電子密度分布及び密度揺動を局所的に測定できる有力な手法として注目されている。但し、現在の段階では、密度分布測定には幾つかの問題があり信頼性に問題が残る。マイクロ波反射計ではXモード波を使う場合とOモード波を使う場合があるが、Xモード波を用いた場合の利点はセパラトリックスの外側の密度の非常に低い領域の密度分布を測定できることである。この領域はHモード研究及び、イオンサイクロトロン加熱実験に於いて非常に興味深い領域である。Xモード反射計の可能性と問題点を明らかにするために、江尻晶氏をUCLA及びジェネラルアトミックスに派遣し、DIII-D装置での密度分布測定に参加させた。入射マイクロ波の周波数がプラズマ境界でのカットオフ周波数、即ちサイクロトロン周波数を超えると明確な反射波が現われ始める。このことを利用することによって、プラズマ境界の時間的な動きを測定できた。但し、境界の位置の絶対精度は磁場の測定精度で決まり、1cm程度の誤差を持つ。密度分布測定については、発振器の周波数掃引時間が長い時は、揺動の影響のため分布測定ができず、掃引時間が短いこと(およそ500μsec以下)が測定の必要条件であることがわかった。測定データの処理にはcomplex demodulation法を用いた。これはデジタル的にミキシングを行い位相を求める方法で、ミキシングする周波数としてビ-トのピーク周波数を選び、高域遮断フィルターによってノイズ成分を落す。この方法の利点は、位相を連続的に求められることで、従来のゼロクロス法ではできなかったことである。以上のことから、Xモード反射計はプラズマ周辺部の密度分布測定に有効であること、測定方法、データ処理方法において、いくつかの技法を用いることによって信頼性が向上することがわかった。
3)閉じ込め改善に関する研究では、前年度にUCLAから導入したボロナイゼーション法を当研究所のJIPP T-IIU及びCHS装置に適用し、周辺プラズマ及び壁プラズマ相互作用の制御によりプラズマ閉じ込め特性を改善し得ることを示すことができた。これらの実験結果はLHDの閉じ込め改善に関するシナリオ作成に大きな寄与となった。
4)ヘリカル型炉の概念設計については、当研究所においても具体的に検討を開始しているが、担当の本島修教授及び相良明男助教授をUCLAに派遣し、米国を代表するUCLAの炉設計チームリーダーR.W.ConnとF.Najimabadi、ダイバータ・高熱機器のY.HirookaとL.Schmitz、ブランケット・核設計のM.AbdouとM.Tillack、らとの先進的設計概念(パルス炉と定常炉、He-3燃料、ガスダイバータと耐熱機器材、放射線遮蔽とトリチウム増殖、等)に関する議論を幅広く実施することができ、具体的提案等も含めて、双方に有益な成果が得られた。

研究成果

• [文献書誌] J.M.Dawson,V.K.Decyk,R.D.Sydora and P.C.Liewer: "High Performance Computing and Plasma Physics" Physics Today. 46. 64-70 (1993)
  • 説明: 「研究成果報告書概要(和文)」より
• [文献書誌] ジョン・ド-ソン、ビクター・デシック、リチャード・シドラ、ポ-レット・リ-ワ- 上村鉄雄:訳: "連載:高性能コンピューター物理学(3)プラズマ物理学の進歩" パリティ(Parity). 8. 4-12 (1993)
  • 説明: 「研究成果報告書概要(和文)」より
• [文献書誌] R.D.Sydora,H.Naitou,T.Kamimura and J.M.Dawson: "Linear and Nonlinear Kinetic-MHD Plasma Simulation Using a 3-D Gyrokinetic Particle Code" Physics of Fluids. (under preparation).
  • 説明: 「研究成果報告書概要(和文)」より
• [文献書誌] J.M.Dawson, V.K.Decyk, R.D.Sydora and P.C.Liewer: "High Performance Computing and Plasma Physics" Physics Today. 46. 64-70 (1993)
  • 説明: 「研究成果報告書概要(欧文)」より
• [文献書誌] R.D.Sydora, H.Naitou, T.Kamimura and J.M.Dawson: "Linear and Nonlinear Kinetic-MHD Plasma Simulation Using a 3-D Gyrokinetic Particle Code" Physics of Fluids (under preparation).
  • 説明: 「研究成果報告書概要(欧文)」より
• [文献書誌] J.M.Dawson, V.K.Decyk, R.D.Sydora and P.C.Liewer (translated by Tetsuo Kamimura): "High Performance Computing and Plasma Physics (in Japanese)" Physical Science Magazine : Parity. 8. 4-12 (1993)
  • 説明: 「研究成果報告書概要(欧文)」より
• [文献書誌] S.Mar,R.Sydora,J.M.Dawson: "Gyrokinetic simulation of neoclassical transport" Bulletin of the American Physical Society. 37. 1546 (1992)
• [文献書誌] R.Sydora,J.M.Dawson,S.Mar,S.K.Decyk,F.Tsung,R.Bollens: "Implementing 3D Gyrokimetic Simulation Models of Toroidal Plasmas" Bulletin of the American Physical Society. 37. 1555 (1992)