複数EC高調波による加熱電流駆動で生成される高エネルギー電子の制動放射計測

• 研究課題/領域番号: 21K03510
• 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: 九州大学
• 研究代表者: 恩地 拓己 九州大学, 応用力学研究所, 助教 (00727216)
• 研究期間 (年度): 2021-04-01 – 2024-03-31
• 研究課題ステータス: 完了 (2023年度)
• 配分額: 2,990千円 (直接経費: 2,300千円、間接経費: 690千円); 2023年度: 780千円 (直接経費: 600千円、間接経費: 180千円); 2022年度: 780千円 (直接経費: 600千円、間接経費: 180千円); 2021年度: 1,430千円 (直接経費: 1,100千円、間接経費: 330千円)
• キーワード: 球状トカマク / 電子サイクロトロン加熱 / 制動放射 / 電流駆動 / 制動放射X線 / プラズマ / 高エネルギー電子

研究開始時の研究の概要

トロイダル磁場の勾配が強い球状トカマクでは，加熱高周波を特定帯域内で選択することで複数の電子サイクロトロン（Electron Cyclotron, EC）高調波共鳴層がプラズマ閉じ込め領域に共存する状態を作り出せる．電子が数十keVのエネルギーを持つ場合，斜め伝播するEC波は電流駆動方向に動く電子に強く共鳴する．この共鳴条件の対称性の破れにより，電流駆動方向に動く電子は選択的に加熱され，正味の電流が流れる．本研究では制動放射硬X線を二次元計測して高エネルギー電子の空間分布を観測し，共鳴条件の対称性がどのように破れているかを実験的に調査する．

研究成果の概要

球状トカマクではトロイダル磁場の勾配が強く，特定の周波数を選択することで，複数の電子サイクロトロン（EC）高調波共鳴層がプラズマ閉じ込め領域に共存する状態を作り出せる．相対論ドップラー効果によって広いプラズマ領域で数十keVを超える高エネルギー電子にEC波が高調波共鳴してプラズマ電流駆動が起きる．本研究では高エネルギー電子の振る舞いを理解するために制動放射の空間分布を観測できる硬X線二次元観測システムを開発した．球状トカマク装置QUESTにおける実験では電流を担う方向に運動する電子に起因する制動放射Ｘ線空間分布が観測された．また高いエネルギーの捕捉電子に起因するリミタ部からの放射も観測された．

研究成果の学術的意義や社会的意義

近年発展が顕著な二次元X線検出器（検出エネルギー200 keV以下）を導入し，球状トカマクに適用して観測データを得た．特に電流を担う高エネルギー電子群によるX線の空間分布観測は新規性があると考えられる．金属構造に対する高エネルギー電子の衝突による放射強度が高く，またプラズマ内部からの制度放射と重なって検出されるため，Ｘ線空間分布計測の難易度が高いことが実験的に明らかになった．これらの結果は今後の計測器開発に重要な知見であると考えられる．

研究成果

• [雑誌論文] Initial testing of ohmic heating through double flux swing during electron cyclotron start-up in the QUEST spherical tokamak (2023)
  • 著者名/発表者名: ZHANG Yifan、ONCHI Takumi、NAKAMURA Kazuo、YUE Qilin、NAGATA Takahiro、KAWASAKI Shoji、KURODA Kengoh、HASEGAWA Makoto、IKEZOE Ryuya、IDO Takeshi、HANADA Kazuaki、IDEI Hiroshi
  • 雑誌名: Plasma Science and Technology 巻: 25 号: 5 ページ: 055104-055104
  • DOI: 10.1088/2058-6272/acafc2
  • 査読あり
• [雑誌論文] Circuit design for doubling the toroidal magnetic field on the QUEST spherical tokamak (2023)
  • 著者名/発表者名: Onchi Takumi、Idei Hiroshi、Yanagi Nagato、Zhang Yifan、Nakamura Kazuo、Kuroda Kengoh、Hasegawa Makoto、Ikezoe Ryuya、Hanada Kazuaki、Ido Takeshi、Kobayashi Masahiro、Ogawa Yuichi、Yoshitani Minoru、Kawamura Takemi
  • 雑誌名: Fusion Engineering and Design 巻: 192 ページ: 113794-113794
  • DOI: 10.1016/j.fusengdes.2023.113794
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] A versatile power supply system for the central solenoid of the QUEST spherical tokamak (2023)
  • 著者名/発表者名: Zhang Yifan、Onchi Takumi、Nakamura Kazuo、Otsuka Yuya、Koide Yuji、Yue Qilin、Nagata Takahiro、Kawasaki Shoji、Kuroda Kengoh、Hasegawa Makoto、Ikezoe Ryuya、Ido Takeshi、Hanada Kazuaki、Idei Hiroshi
  • 雑誌名: Fusion Engineering and Design 巻: 191 ページ: 113648-113648
  • DOI: 10.1016/j.fusengdes.2023.113648
  • 査読あり
• [雑誌論文] ELECTRON CYCLOTRON CURRENT START-UP WITH RETARDING ELECTRIC FIELD IN THE QUEST SPHERICAL TOKAMAK (2023)
  • 著者名/発表者名: T. ONCHI, H. IDEI, K. HANADA, Y. ZHANG, K. NAKAMURA, R. IKEZOE, M. HASEGAWA, K. KURODA, Y. KOIDE, Y. OTSUKA, A. HIGASHIJIMA, T. NAGATA, I. SEKIYA, S. SHIMABUKURO, I. NIIYA, K. KONO, F. ZENNIFA, Y. NAGASHIMA, T. IDO, Y. KOSUGA, O. WATANABE, A. EJIRI, T. KARIYA, S. MURAKAMI
  • 雑誌名: 29th IAEA Fusion Energy Conference, 巻: CN-316-1762 ページ: 1-8
• [雑誌論文] Overview of coordinated spherical tokamak research in Japan (2022)
  • 著者名/発表者名: Takase Y.、Ejiri A.、Fujita T.、Hanada K.、Idei H.、Nagata M.、Onchi T.、Ono Y.、Tanaka H.、Tsujii N.、Uchida M.、Yasuda K.、Kasahara H.、Murakami S.、Takeiri Y.、Todo Y.、Tsuji-Iio S.、Kamada Y.
  • 雑誌名: Nuclear Fusion 巻: 62 号: 4 ページ: 042011-042011
  • DOI: 10.1088/1741-4326/ac29cf
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] MHD Equilibrium Reconstruction Using the Visible Light Tomographic Method with Laplacian Eigenfunction (2021)
  • 著者名/発表者名: SUZUKI Kosuke、MURAKAMI Sadayoshi、OHDACHI Satoshi、IDEI Hiroshi、KURODA Kengoh、IKEZOE Ryuya、ONCHI Takumi
  • 雑誌名: Plasma and Fusion Research 巻: 16 号: 0 ページ: 2402090-2402090
  • DOI: 10.1585/pfr.16.2402090
  • NAID: 130008064613
  • ISSN: 1880-6821
  • 年月日: 2021-07-05
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Initial Results from High-Field-Side Transient CHI Start-Up on QUEST (2021)
  • 著者名/発表者名: Kengoh KURODA, Roger RAMAN et al.
  • 雑誌名: Plasma and Fusion Research 巻: 16 号: 0 ページ: 2402048-2402048
  • DOI: 10.1585/pfr.16.2402048
  • NAID: 130008033380
  • ISSN: 1880-6821
  • 年月日: 2021-04-09
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Quaternion Analysis of a Direct Matrix Converter Based on Space-Vector Modulation (2021)
  • 著者名/発表者名: NAKAMURA Kazuo、ZHANG Yifan、ONCHI Takumi、IDEI Hiroshi、HASEGAWA Makoto、TOKUNAGA Kazutoshi、HANADA Kazuaki、MITARAI Osamu、KAWASAKI Shoji、HIGASHIJIMA Aki、NAGATA Takahiro、SHIMABUKURO Shun
  • 雑誌名: Plasma and Fusion Research 巻: 16 号: 0 ページ: 2405037-2405037
  • DOI: 10.1585/pfr.16.2405037
  • NAID: 130008022671
  • ISSN: 1880-6821
  • 年月日: 2021-03-12
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Overview of recent progress on steady state operation of all-metal plasma facing wall device QUEST (2021)
  • 著者名/発表者名: Hanada K.、Yoshida N.、Hasegawa M.、Oya M.、Oya Y.、Takagi I.、Hatayama A.、Shikama T.、Idei H.、Nagashima Y.、Ikezoe R.、Onchi T.、Kuroda K.、Kawasaki S.、Higashijima A.、Nagata T.、Shimabukuro S.、Nakamura K.、Murakami S.、Takase Y.、Gao X.、Liu H.、Qian J.
  • 雑誌名: Nuclear Materials and Energy 巻: 27 ページ: 101013-101013
  • DOI: 10.1016/j.nme.2021.101013
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Observation of second harmonic electron cyclotron resonance heating and current-drive transition during non-inductive plasma start-up experiment in QUEST (2021)
  • 著者名/発表者名: Kojima S.、Hanada K.、Idei H.、Onchi T.、Ikezoe R.、Nagashima Y.、Hasegawa M.、Kuroda K.、Nakamura K.、Higashijima A.、Nagata T.、Kawasaki S.、Shimabukuro S.、Elserafy H.、Fukuyama M.、Ejiri A.、Shikama T.、Yoneda N.、Yoneda R.、Kariya T.、Takase Y.、Murakami S.、Bertelli N.、Ono M.
  • 雑誌名: Plasma Physics and Controlled Fusion 巻: 63 号: 10 ページ: 105002-105002
  • DOI: 10.1088/1361-6587/ac1838
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Designing an upgrade of ohmic heating system for the QUEST spherical tokamak (2021)
  • 著者名/発表者名: Zhang Yifan、Onchi Takumi、Nakamura Kazuo、Kidani Akihiro、Yue Qilin、Kuroda Kengoh、Hasegawa Makoto、Ikezoe Ryuya、Idei Hiroshi
  • 雑誌名: Fusion Engineering and Design 巻: 168 ページ: 112362-112362
  • DOI: 10.1016/j.fusengdes.2021.112362
  • 査読あり
• [学会発表] Electron Cyclotron Current Start-up with Retarding Electric Field in the QUEST Spherical Tokamak (2023)
  • 著者名/発表者名: Takumi Onchi
  • 学会等名: 29th Fusion Energy Conference(FEC2023)
  • 国際学会
• [学会発表] Review of QUEST RF pre-ionization studies (2023)
  • 著者名/発表者名: Takumi Onchi
  • 学会等名: ITPA IOS meeting
• [学会発表] 球状トカマク型装置QUESTにおける逆電流駆動方向トロイダル電場印加時の電子サイクロトロン加熱 (2023)
  • 著者名/発表者名: 恩地拓己
  • 学会等名: 第40回 プラズマ・核融合学会 年会
• [学会発表] 球状トカマク中の高エネルギー電子観測用二次元硬X線計測器開発と初期結果 (2022)
  • 著者名/発表者名: 王 洋 ,恩地 拓己, 花田 和明, 張 逸凡, 関谷 泉,池添 竜也, 出射 浩
  • 学会等名: 第39回 プラズマ・核融合学会 年会
• [学会発表] Plasma Current Ramp-Up with 28 Ghz Second Harmonic Electron Cyclotron Wave in the Quest Spherical Tokamak (2021)
  • 著者名/発表者名: ONCHI, Takumi
  • 学会等名: 28th IAEA Fusion Energy Conference (FEC2020)
  • 国際学会
• [学会発表] 球状トカマクQUESTにおける電子サイクロトロン加熱/電流駆動へのトロイダル電 場の影響 (2021)
  • 著者名/発表者名: 恩地拓己, 出射浩, 福山雅治, 渡邉理, 武田康佑, Y. Zhang, 池添竜也, 長谷川真, 黒田賢剛, 井戸毅, 花田和明, 中村一男, 江尻晶, Y. Peng, 假家強, 福山淳
  • 学会等名: 日本物理学会2021年秋季大会
• [学会発表] 球状トカマクQUESTにおけるEC高調波加熱／電流駆動へのトロイダル電場の 影響 (2021)
  • 著者名/発表者名: 恩地拓己 , 出射浩 , 福山雅治 , 渡邉理 , 武田康佑 , Y. Zhang , Y. Wang , 池添竜也 , 長谷川真 , 黒田賢剛 , 井戸毅 , 花田和明 , 中村一男 , 江尻晶 , Y. Peng , 假家強 , 福山淳
  • 学会等名: 第38回 プラズマ・核融合学会 年会
• [学会発表] 球状トカマクの高エネルギー電子空間分布観測を目指した二次元硬 X 線計測 シ ステムの設計 (2021)
  • 著者名/発表者名: 王洋 , 恩地拓己 , 花田和明 , 岳其霖 , 池添竜也 , 出射浩
  • 学会等名: プラズマ・核融合学会 九州・沖縄・山口支部 第25回 支部大会
• [備考] 九州大学ー研究者情報
  • URL: https://hyoka.ofc.kyushu-u.ac.jp/search/details/K005161/index.html
• [備考] 国立大学法人 九州大学応用力学研究所 高温プラズマ理工学研究センター
  • URL: http://www.triam.kyushu-u.ac.jp/QUEST_HP/index.html