乱流の非線形性を介在した同位体効果発現機構の実験的検証

• 研究課題/領域番号: 20K03901
• 研究種目: 基盤研究(C)
• 配分区分: 基金
• 応募区分: 一般
• 審査区分: 小区分14020:核融合学関連
• 研究機関: 京都大学
• 研究代表者: 大島 慎介 京都大学, エネルギー理工学研究所, 助教 (00469610)
• 研究期間 (年度): 2020-04-01 – 2023-03-31
• 研究課題ステータス: 完了 (2022年度)
• 配分額: 4,290千円 (直接経費: 3,300千円、間接経費: 990千円); 2022年度: 520千円 (直接経費: 400千円、間接経費: 120千円); 2021年度: 520千円 (直接経費: 400千円、間接経費: 120千円); 2020年度: 3,250千円 (直接経費: 2,500千円、間接経費: 750千円)
• キーワード: 水素同位体効果 / プラズマ / 乱流 / 帯状流 / 核融合 / 非線形 / プラズマ乱流 / 同位体効果 / 磁場閉じ込め / 計測

研究開始時の研究の概要

近年注目されている、乱流の非線形性を介在し同位体効果が生じるという仮説の実験による実証を目指し、
A.　乱流の非線形特性の実験的観測による同位体効果発現機構の解明
B.　磁場配位制御による、非線形乱流を介在した、同位体効果への影響の検証
を目指す。軽/重水素同位体比を制御し、広いパラメータ領域で乱流と帯状流の非線形結合・競合過程の特性の応答を明らかにする。乱流、そして帯状流を直接観測し、多様な揺動解析手法を駆使し、乱流の素過程およびその非線形特性を評価する。さらに、乱流と帯状流の非線形結合・競合過程の制御ノブとして、磁場の幾何形状（磁場配位）を制御し、同位体効果に影響を与えうるか、解明を目指す。

研究成果の概要

本研究では、磁場閉じ込めプラズマにおける水素同位体効果の解明を目指し、乱流の非線形性を介して生じる乱流が示す同位体比依存性と，その磁場の幾何形状の影響の検証を行っている。ラングミュアプローブによる乱流計測・解析を進め、非線形特性を含む詳細な乱流の特徴と，乱流による輸送の応答を評価した．同時に閉じ込め磁場の幾何形状を制御し、同位体効果への影響を明らかにした．また，同位体効果研究のため，乱流・帯状流計測を目的とした多点ドップラー反射計と，320 GHz干渉計を開発し，同位体効果研究が可能な態勢を構築した．

研究成果の学術的意義や社会的意義

閉じ込め特性に対する“水素同位体効果”は、ITERおよび将来の核融合炉の設計・性能予測の基盤となる知見でありながら、その物理機構は未解明である．本研究は同位体効果は乱流の非線形性を介在して発現しているのか？という疑問に対して取り組む．これは、イオン質量の違いという単純な差異が、なぜ輸送の基礎的理解に反して輸送改善を生み出しうるのか？なぜ磁場配位に応じてその改善度が異なるのか？という，プラズマ・乱流物理を深化させる取り組みであり，この点に学術的意義を有する．同時に、エネルギー問題を決着する可能性のある核融合炉の設計・性能予測に不可欠な基盤的知見に資することから，重要な社会的意義がある．

研究成果

• [雑誌論文] Three-dimensional dynamics of fluctuations appearing during pellet ablation process around a pellet in a fusion plasma experiment (2022)
  • 著者名/発表者名: Ohshima S.、Suzuki T.、Matoike R.、Motojima G.、Kado S.、Mori A.、Miyashita A.、Kobayashi S.、Minami T.、Iwata A.、Qiu D.、Wang C.、Luo M.、Zhang P.、Kondo Y.、Nishino N.、Mizuuchi T.、Okada H.、Konoshima S.、Inagaki S.、Nagasaki K.
  • 雑誌名: Scientific Reports 巻: 12 号: 1 ページ: 14204-14204
  • DOI: 10.1038/s41598-022-18239-z
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Development and initial results of 320?GHz interferometer system in Heliotron J (2022)
  • 著者名/発表者名: Zhang P.、Ohshima S.、Zhao H.、Deng C.、Kobayashi S.、Kado S.、Minami T.、Matoike R.、Miyashita A.、Iwata A.、Kondo Y.、Qiu D.、Wang C.、Luo M.、Konoshima S.、Inagaki S.、Okada H.、Mizuuchi T.、Nagasaki K.
  • 雑誌名: Review of Scientific Instruments 巻: 93 号: 11 ページ: 113519-113519
  • DOI: 10.1063/5.0101808
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Development of dual X-mode Doppler reflectometry system in Heliotron J (2022)
  • 著者名/発表者名: Kondo Y.、Ohshima S.、Kuwahara D.、Inoshita K.、Fukuda T.、Minami T.、Kado S.、Kobayashi S.、Konoshima S.、Mizuuchi T.、Okada H.、Tomita T.、Nagasaki K.
  • 雑誌名: Journal of Instrumentation 巻: 17 号: 05 ページ: C05023-C05023
  • DOI: 10.1088/1748-0221/17/05/c05023
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Development of dual X-mode Doppler reflectometry Q2 Q3 system in Heliotron J (2022)
  • 著者名/発表者名: Y. Kondo, S. Ohshima, D. Kuwahara, K. Inoshita, T. Fukuda, T. Minami, S. Kado, S. Kobayashi, S. Konoshima, T. Mizuuchi, H. Okada, T. Tomita and K. Nagasaki
  • 雑誌名: Journal of Instrumentation 巻: 18
  • 査読あり
• [雑誌論文] First Application of an InfraRed Imaging Video Bolometer to Heliotron J Plasma (2021)
  • 著者名/発表者名: MIYASHITA Akira、MUKAI Kiyofumi、OHSHIMA Shinsuke、MATOIKE Ryota、PETERSON Byron J.、KOBAYASHI Shinji、OKADA Hiroyuki、KADO Shinichiro、MINAMI Takashi、MIZUUCHI Tohru、KONOSHIMA Shigeru、NAGASAKI Kazunobu
  • 雑誌名: Plasma and Fusion Research 巻: 16 号: 0 ページ: 1202079-1202079
  • DOI: 10.1585/pfr.16.1202079
  • NAID: 130008053039
  • ISSN: 1880-6821
  • 年月日: 2021-06-07
  • 査読あり
• [雑誌論文] Numerical analysis of heat load distribution in Heliotron J with magnetic field tracing and plasma transport modeling (2021)
  • 著者名/発表者名: R Matoike, G. Kawamura, S. Ohshima, Y. Suzuki, M. Kobayashi, S. Masuzaki, S. Kobayashi, S. Kado, T. Minami, H. Okada, T. Mizuuchi, S. Konoshima, Y. Feng, H. Frerichs, K. Nagasaki
  • 雑誌名: Plasma Phys. Control. Fusion 巻: 63 号: 11 ページ: 115002-115002
  • DOI: 10.1088/1361-6587/ac2069
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Numerical investigation into the peripheral energetic-particle-driven MHD modes in Heliotron J with free boundary hybrid simulation (2021)
  • 著者名/発表者名: P. Adulsiriswad, Y. Todo, S. Kado, S. Yamamoto, S. Kobayashi, S. Ohshima, H. Okada, T. Minami, Y. Nakamura, A. Ishizawa, S. Konoshima, T. Mizuuchi and K. Nagasaki
  • 雑誌名: Nucl. Fusion 巻: 61 号: 11 ページ: 116065-116065
  • DOI: 10.1088/1741-4326/ac2779
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Role of pre-ionization in NBI plasma start-up of Heliotron J using non-resonant microwave heating (2021)
  • 著者名/発表者名: S. Kobayashi, K. Nagasaki, K. Hada, T. Stange, H. Okada, T. Minami, S. Kado, S. Ohshima, K. Tokuhara, Y. Nakamura
  • 雑誌名: Nucl. Fusion 巻: 61 号: 11 ページ: 116009-116009
  • DOI: 10.1088/1741-4326/ac2105
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Isotope effect on zonal flow and its configuration dependence in low-density electron-cyclotron-resonance heated plasmas in Heliotron J (2021)
  • 著者名/発表者名: S. Ohshima, H. Okada, L. Zang, S. Kobayashi, T. Minami, S. Kado, P. Adulsiriswad, D. Qiu, R. Matoike, M. Luo, P. Zhang
  • 雑誌名: Plasma Phys. Control. Fusion 巻: 63 号: 10 ページ: 104002-104002
  • DOI: 10.1088/1361-6587/ac1837
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Development of beam emission spectroscopy in the helically symmetric experiment stellarator (2021)
  • 著者名/発表者名: Kobayashi S.、Kumar S. T. A.、Anderson F. S. B.、Deng C. B.、Likin K. M.、Talmadge J. N.、Ohshima S.、Anderson D. T.
  • 雑誌名: Review of Scientific Instruments 巻: 92 号: 6 ページ: 063503-063503
  • DOI: 10.1063/5.0043596
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Sensitivity improvement of infrared imaging video bolometer for divertor plasma measurement (2021)
  • 著者名/発表者名: Mukai K.、Peterson B. J.、Ezumi N.、Shigematsu N.、Ohshima S.、Miyashita A.、Matoike R.
  • 雑誌名: Review of Scientific Instruments 巻: 92 号: 6 ページ: 063521-063521
  • DOI: 10.1063/5.0043664
  • NAID: 120007166309
  • 査読あり
• [雑誌論文] Development of a multi-channel 320 GHz interferometer for high density plasma measurement in Heliotron J (2021)
  • 著者名/発表者名: Ohshima S.、Zhang P.、Kume H.、Deng C.、Miyashita A.、Kobayashi S.、Okada H.、Minami T.、Kado S.、Adulsiriswad P.、Qiu D.、Luo M.、Matoike R.、Suzuki T.、Konoshima S.、Mizuuchi T.、Nagasaki K.
  • 雑誌名: Review of Scientific Instruments 巻: 92 号: 5 ページ: 053519-053519
  • DOI: 10.1063/5.0043581
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Spatial characterization of edge zonal flows in the TJ-II stellarator: the roles of plasma heating and isotope mass (2021)
  • 著者名/発表者名: Losada U、Kobayashi T、Ohshima S、Cappa A、Van Milligen B、Liniers M、L?pez-Miranda B、Liu B、Pastor I、Silva C、Hidalgo C
  • 雑誌名: Plasma Physics and Controlled Fusion 巻: 63 号: 4 ページ: 044002-044002
  • DOI: 10.1088/1361-6587/abe24b
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Phase tracking with Hilbert transform and nonlinear wave-wave coupling analysis on the HL-2A tokamak (2021)
  • 著者名/発表者名: Zang L.G.、Ohshima S.、Qu Y.F.、Shi P.W.、Zhong W.L.、Hou Y.M.、Yan L.W.、Ji X.Q.、Li J.Q.、Yu D.L.、Shi Z.B.、Liu Yi、Yang Q.W.、Xu M.
  • 雑誌名: Nuclear Fusion 巻: 61 号: 2 ページ: 026024-026024
  • DOI: 10.1088/1741-4326/abcfce
  • 国際共著
• [雑誌論文] Development of a Multi-Channel 320 GHz Interferometer for High Density Plasma Measurement in Heliotron J (2021)
  • 著者名/発表者名: S. Ohshima1,a), P. Zhang2, H. Kume2, C. Deng3,4, A. Miyashita2, S. Kobayashi1, H. Okada2, T. Minami2, S. Kado2, P. Adulsiriswad2, D. Qiu2, M. Luo2, R. Matoike2, T.Suzuki2, S. Konoshima1, T. Mizuuchi1, and K. Nagasaki1
  • 雑誌名: Review of Scientific Instruments 巻: -
  • 国際共著
• [雑誌論文] Magnetohydrodynamic hybrid simulation of Alfv?n eigenmodes in Heliotron J, a low shear helical axis stellarator/heliotron (2020)
  • 著者名/発表者名: Adulsiriswad P.、Todo Y.、Yamamoto S.、Kado S.、Kobayashi S.、Ohshima S.、Okada H.、Minami T.、Nakamura Y.、Ishizawa A.、Konoshima S.、Mizuuchi T.、Nagasaki K.
  • 雑誌名: Nuclear Fusion 巻: 60 号: 9 ページ: 096005-096005
  • DOI: 10.1088/1741-4326/ab9c4b
  • 査読あり
• [学会発表] Characterisation of Turbulence. Zonal Flow, and Turbulent Transport Against Hydrogen Isotope Ratio in a Turus Plasma Experiment (2022)
  • 著者名/発表者名: S.Ohshima
  • 学会等名: 48th EPS conference on plasma physics
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] ヘリオトロンJ配位制御実験の拡張 (2021)
  • 著者名/発表者名: 大島慎介, 小林進二,山中雄太1, 的池遼太1, 宮下 顕1, 近藤恭斗2,井下圭1, 三好正博1,南貴司, 門信一郎, 岡田浩之, 水内亨, 木島滋, 長﨑百伸
  • 学会等名: 先進ヘリカル研究会
• [学会発表] Isotope Effects on Nonlinear Turbulence System in a Torus Plasma (2020)
  • 著者名/発表者名: S. Ohshima et al
  • 学会等名: 4th Asia-Pacific Conference on Plasma Physics
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Development of multi-channel spectroscopic system for turbulence measurement (2020)
  • 著者名/発表者名: A.Fujisawa, S.Ohshima
  • 学会等名: The 11th International Symposium of Advanced Energy Science, 2020