ヘリカル系プラズマの閉じ込め性能の向上に関する理論共同研究

• 研究課題/領域番号: 05044067
• 研究種目: 国際学術研究
• 配分区分: 補助金
• 応募区分: 共同研究
• 研究機関: 核融合科学研究所
• 研究代表者: 岡本 正雄 核融合科学研究所, 大型ヘリカル研究部, 教授研究主幹 (70115541)
• 研究分担者: M Keilhaker JET共同事業体, 副所長 ; D Duchs JET共同事業体, 理論部長 ; U Schwenn マックスプランク研究所, 主任研究員 ; E Strumberge マックスプランク研究所, 研究員 ; H Wobig マックスプランク研究所, 実験第1リーダ ; J Niihrenber マックスプランク研究所, 実験第2リーダ ; 福山 淳 岡山大学, 工学部, 助教授 (60116499) ; 若谷 誠宏 京都大学, ヘリオトロン核融合研究センター, 教授 (00109357) ; 伊藤 早苗 九州大学, 応用力学研究所, 教授 (70127611) ; 林 隆也 核融合科学研究所, 大型ヘリカル研究部, 助教授 (60156445) ; 平口 勝治 (市口 勝治) 核融合科学研究所, 大型ヘリカル研究部, 助手 (90211739) ; 村上 定義 核融合科学研究所, 大型ヘリカル研究部, 助手 (40249967) ; 洲鎌 英雄 核融合科学研究所, 大型ヘリカル研究部, 助手 (80202125) ; 伊藤 公孝 核融合科学研究所, 大型ヘリカル研究部, 助教授 (50176327) ; 中島 徳嘉 核融合科学研究所, 大型ヘリカル研究部, 助教授 (30172315) ; 藤原 正巳 核融合科学研究所, 大型ヘリカル研究部, 教授 (10023722) ; DUCHS D. JET Joint Undertaking ; NOHRENBERG J. Max-Planck Institute ; SCHWENN U. Max-Planck Institute ; STRUMBERGER E. Max-Planck Institute ; KEILHACKER M. JET Joint Undertaking ; WOBIG H. Max-Planck Institute ; NUHRENBERG J マックスプランク, プラズマ物理研究所, 主任研究員室長 ; SCHWAB C マックスプランク, プラズマ物理研究所, 研究員 ; 等々力 二郎 核融合科学研究所, 大型ヘリカル研究部, 教授 (30059670)
• 研究期間 (年度): 1993 – 1994
• 研究課題ステータス: 完了 (1994年度)
• 配分額: 4,000千円 (直接経費: 4,000千円); 1994年度: 2,000千円 (直接経費: 2,000千円); 1993年度: 2,000千円 (直接経費: 2,000千円)
• キーワード: 閉じ込め改善 / 異常輸送 / MHD安定性 / バル-ニングモード / 交換型不安定性 / 磁気島 / ヘリオトロン / ステラレータ / バル-ニング・モード / 自己維持乱流

研究概要

本共同研究の主な活動は、(1)電磁流体力学的安定性(MHD安定性)、(2)粒子軌道・新古典理論・加熱、(3)磁気島生成に関するシミュレーション研究、(4)新しいプラズマ輸送モデルの構築及び閉じ込め改善の4つに大きく分類できる。
MHD安定性に関しては、2次元及び3次元磁場配位の類似点と相違点、LHDとW7-Xとの類似点と相違点を明らかにする事を主な目的とした。先ず、3次元理想MHD安定性コード「CAS3D〕と、2次元MHD安定性コード「RESORM」とのベンチマークテストを行った。LHD配位に対しては、両者の間に、限界ベータ値及び成長率とも良い一致を見た。高nバル-ニングモードの完全3次元解析をLHDとW7-Xプラズマに対して行い、両者の相違点・類似点を明らかにし、更に3次元高nバル-ニング方程式からシャフラノフシフトを考慮したモデル方程式をステラレータ展開を基に導出する事により、トカマクとは全く異なる性質を3次元系で発見し、その物質機構を明らかにした。ステラレータ的磁気シア-領域における低nバル-ニングモードの解析を「CAS3D」で行い、高nモードとの比較を考えた。その結果、高nバル-ニングモードは局所シア-で安定化させられるが、低nバル-ニングモードは大域的シア-で安定化させられるという重大な事を発見した。
粒子軌道・新古典理論・加熱の研究では、先ず、3次元磁場配位に対する一般的な平行粘性の表式を導出した。この結果から、電子とイオンの衝突領域が異なると径電場に比例する新古典電流(ブートストラップ電流)が存在する事が明らかになった。電子及びイオンが各々、1/2及びプラトウ領域に存在する時、新古典的に定まる径電場は圧力駆動によるブートストラップ電流を大巾に減少させる。また、ブートストラップ電流等のトロイダル電流がMHD安定性に及ぼす影響を研究し、その結果、電流が回転変換を減少する方向に流れると交換型モードを著しく安定化し、閉じ込め改善に大きく寄与するという重要な結果を得た。加熱に関しては、これまでの日本側のICRF及びNBI加熱解析の結果を紹介し非軸対称系におけるプラズマ加熱について議論した。ICRF加熱における高エネルギーイオンテイルの効果を含んだエネルギー閉じ込め時間について検討し、テイル効果を含むエネルギー閉じ込め時間の表式を導いた。
核融合科学研究所で開発された平衡コード「HINT」を用いてLHD及びW7-Xでの磁気島生成の計算を行った。磁気島生成、即ち磁気面破壊の問題は磁気閉じ込め核融合にとっては本質的問題であり、閉じ込め改善と深く関わっている。このテーマの共同研究所の大きな成果は、「Self-Healing」現象の発見である。W7-Xでは真空磁場配位(β=0)でm=6/n=5の大きな磁気島が生成される。しかし、βが上昇すると、この磁気島は消減することが「HINT」コードを用いたシミュレーションで明らかにされた。これは真空磁場での磁気島と有限ベータの平衡電流の作る磁気島の位相がずれ丁度相殺したものと考えられ、プラズマ自身による磁気年破壊の回避であり、きれいな磁気面を作りプラズマの閉じ込めを大巾に改善するものである。
新しい輸送モデルの構築及び閉じ込め改善の研究では、日本側から新しい輸送理論の提案を行い、理論と実験との詳細な比較・検討を行い閉じ込め改善策の共同研究を行った。この理論で従来謎とされていた実験結果を説明する事ができ、多くの成果をあげる事ができた。されに、ヘリオトロン・ステラレーター・トカマクの閉じ込め性能の相違・類似が明らかにされ、各々の閉じ込め改善策が議論された。回転変換や電流分布の抑制が閉じ込め改善に重要である事が明らかにされ、また、ヘリカル系におけるH・モードの改善度がトカマクと比べ小さい事も解明すべき重要な課題であり、これに関して径電場・新古典拡散の重要性も検討された。
以上のように2年間で日・欧の間で協同研究を強力に推進する事ができ、協同研究の目的に合致した多くの研究成果を得る事ができた。ヘリカル系、トカマク等において理論・実験で巾広く研究を行っている欧州とは、今後もこのような共同研究を続けていく事は重要な事と思われる。

研究成果

• [文献書誌] C.Schwab(現C.Niihrenberg): "Ideal magnetohydrodynamics:Global mode analysis of three-dimensional plasma configurations" Physics of Fluids. B5(9). 3195-3206 (1993)
  • 説明: 「研究成果報告書概要(和文)」より
• [文献書誌] K.Ichiguchi,他: "Effects of Net Toroidal Current on the Merciet Criterion in the LHD" Nuclear Fusion. 33. 481-492 (1993)
  • 説明: 「研究成果報告書概要(和文)」より
• [文献書誌] S.Murakami and J,Niihrenberg: "Energy confinement time for ICRF heated Plasma in heliotron/torsatrons" (in preparation for publication).
  • 説明: 「研究成果報告書概要(和文)」より
• [文献書誌] S.Murakami,他: "Monte Carlo Simulction Study of ICRF Minority Heating in the Large Helical Derice" Nuclear Fusion. 34. 913-925 (1994)
  • 説明: 「研究成果報告書概要(和文)」より
• [文献書誌] T.Hayashi,T.Sato,P Merkel,J.Niihremberg,U.Schwenn: "Formation and 'Self-Healing'of magnetic islands in finite-β Helias equilibria" Physics of Plasmas. 1(1O). 3262-3268 (1994)
  • 説明: 「研究成果報告書概要(和文)」より
• [文献書誌] J.Niihrenberg,W.Lotz,P.Merkal,C.Niihrenberg,U.Schwenn,E.Strumberger,T.Hayashi: "Overview on Wendelstein 7-X Theory" To be published in Fusion Technology. 22(6). (1995)
  • 説明: 「研究成果報告書概要(和文)」より
• [文献書誌] C.Schwab (C.Niihrenberg): "Ideal magnetohydrodynamics" Physics of Fluids. B5 (9). 3195-3206 (1993)
  • 説明: 「研究成果報告書概要(欧文)」より
• [文献書誌] K.ICHIGUCHI,et al.: "Effects of Net Toroidal Current on the Mercier Criterion in the LHD" Nuclear Fusion. 33. 481-492 (1993)
  • 説明: 「研究成果報告書概要(欧文)」より
• [文献書誌] S.Murakami, J.Niihrenberg: "Energy confinement time for ICRF heated plasma in hebiotron/torsatrons" (in preparation for publication).
  • 説明: 「研究成果報告書概要(欧文)」より
• [文献書誌] S.Murakami, et al.: "Monte Carlo Simulation Study of ICRF Minurity Heating in the Large Helical Derice" Nuclear Fusion. 34. 913-925 (1994)
  • 説明: 「研究成果報告書概要(欧文)」より
• [文献書誌] T.Hayashi, T.Sato, P.Merkel, J.Niihrenberg, U.Schwenn: "Formation and 'Self-Healing' of mcgnetic islands in finite-beta Helias equilibria" 1 (10). 3262-3268 (1994)
  • 説明: 「研究成果報告書概要(欧文)」より
• [文献書誌] J.Niihrenberg, W.Lutz, P.Merkel, C.Niihrenberg, U.Schwenn, E.Strumberger, T.Hayashi: "Overview on Wendelstein 7-X Theory to he published in Fusim Technology" 22 (6). (1995)
  • 説明: 「研究成果報告書概要(欧文)」より
• [文献書誌] Schwab,C: "Ideal magnetohydrodynamics:Global mode analysis of three-dimensional plasma configurations" Physics of Fluids B 5. 5(9). (1993)
• [文献書誌] Nuhrenberg,J.,Hayashi,T.,他: "MHD-Theoretical Aspects of Stellarators" in preparation for publication.
• [文献書誌] Ichiguchi,K.,他: "Effects of Net Toroidal Current on the Mercier Criterion in the LHD" Nuclear Fusion. 33. 481-492 (1993)
• [文献書誌] Murakami,S.,他: "Monte Carlo Simulation Study of the ICRF Minority Heating in LHD" Report of National Institute for Fusion Science. NIFS249 (to be published in Nuclear Fusion). (1993)
• [文献書誌] Itoh,K.,他: "Confinement Improvement in H・Mode Like Plasmas in Helical System" Report of National Institute for Fusion Science. NIFS232 (in preparation for publication). (1993)
• [文献書誌] Hayashi,T.,他: "Formation and“Self-Healing"of Magnetic Islands in Finite-β Helias Plasmas" Report of National Institute for Fusion Science. NIFS269 (submitted to Phys.Plasmas). (1994)