非平衡プラズマの強相関乱流

2016 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 15H02155
• 研究機関: 九州大学
• 研究代表者: 伊藤 早苗 九州大学, 応用力学研究所, 教授 (70127611)
• 研究分担者: 小菅 佑輔 九州大学, 応用力学研究所, 准教授 (00700296) ; 小林 達哉 核融合科学研究所, ヘリカル研究部, 助教 (30733703) ; 伊藤 公孝 核融合科学研究所, ヘリカル研究部, 教授 (50176327)
• 研究期間 (年度): 2015-04-01 – 2020-03-31
• キーワード: プラズマ乱流 / 複数駆動源 / 強相関

研究実績の概要

はじめの２年が経過し、強相関乱流の性質や、特徴的非線形過程、その実験による確認法等の成果が大きく進んだ。それらを踏まえ、本研究計画の中間とりまとめや研究の方向性の整理・提案としての性質も持つ「cross-bispectrumに着目した実験研究法」のレビューをまとめた。
圧力勾配駆動揺動や、平行流駆動揺動の複数が共存・競合する過程について研究を進め、状態の選択条件や、形成構造を明らかにした。
更に多種の揺動駆動源の共存する場合を考察し、一般化を推進した。一つのアプローチは、圧力勾配と平行流勾配に加え、高速イオンという駆動源が加わる状況を考える。その一歩として、高速イオン駆動GAM(geodesic acoustic mode:測地線音波)による運動量輸送という新たな機構を解析した。また、電子温度勾配の揺動励起効果も導入し検討している。原子・分子密度の揺らぎと結合した乱流駆動のアイデアを得て、原子・分子・プラズマ系乱流の研究を創始した。
具体的な実験観測の理解への適用も積極的に行った。圧力勾配と流れの勾配の共存状態として典型的なものが輸送障壁である。その共存状態の分岐現象として、改善閉じ込め状態を理論的に研究した。理論モデルの実験検証も進めた。強相関乱流の物理学の応用例として、輸送関係に現れたヒステリシスの研究も進めた。加熱の変化に対し，異なった時定数を持つ複数の機構が共存するため、プラズマの応答が複数の時定数を示す、という過程について考察を開始した。また、非線形発展の典型例として突発現象に新しい描像を提示した。
これらについて、2016年度に約30編の原著論文（査読済み）を出版し、成果を世界に発信した。

現在までの達成度 (区分)

1: 当初の計画以上に進展している

理由

平成28年度までに、「研究実績の概要」に説明したように、強相関乱流の性質や実験による確認方法等の研究が大きく進んだ。これら研究目的の中心をなすテーマについて大きな進展が得られるとともに、当初予想もされていなかった研究テーマについて進展が生まれた。具体的には、非平衡性の特徴を、多種の勾配と流れの共存という視点に留まらず、外部からの供給源を含むものとして拡張する着想も得ていた。その展開として、外部加熱に留まらず、粒子補給がもたらす揺動励起という（従来考えられていなかった）新規な過程の重要性を指摘する事に成功した。以上のような研究進展から判断し、予想以上の成果が達成されたと自己評価する。

今後の研究の推進方策

前年度までの成果に立脚し、当初計画に従い、3種類以上の駆動源も視野に入れた複数の揺動や流れの干渉と競合、実空間での非線形散逸率の理論と実験との比較、粒子や運動量の流束の観測と因果関係の検定、などの課題に研究を進める。非平衡性の特徴を、多種の勾配と流れの共存という視野から研究してきたが、それに留まらず、外部からの供給源（外部加熱や粒子補給）を含むべく拡張する試みにも着手する。
強相関乱流を考察するための切り口として、密度勾配や磁場方向流れ場勾配が駆動する揺動（ドリフト波やD’ Angeloモード）、そしてメソスケールやマクロスケールをもつ揺動が混在する多スケール乱流が発達する状態を対象に、理論研究を展開する。状態の遷移や選択則を、流れのトポロジカルインデックス(ひいては構造のそれ)等の形式に定式化することにも着手する。
実験では、基礎実験装置PANTAや乱流計測シミュレータを活用する。平行流れ場を取り入れたコードにより、実験観測への応用を進める。PANTA実験では電場・密度・速度の揺動の同時大域計測を進める。３次元空間多点計測を行い、揺動間の位相差を評価し、周波数および空間のなかで、ドリフト波揺動やD’ Angeloモード揺動の棲み分けや競合を解明する。こうした理解を大型閉じ込め実験装置での実験観測の解析に応用する。
理論・実験等について得られた成果を取りまとめ、順次論文を出版する。平成29年度に開催されるAsia Pacific Transport Working Group会議、ヨーロッパ物理学会（EPS DPP 2017）、H-モードワークショップ、等の国際会議にて成果を発表する。併せて、日中共同データ解析ワークショップを始め国際的な研究打ち合わせを行う。

研究成果

• [国際共同研究] Southwestern Institute of Physics/Zhejiang University/Dalian University(China)
  • 国名: 中国
  • 外国機関名: Southwestern Institute of Physics/Zhejiang University/Dalian University
• [国際共同研究] Lorraine University/CEA(France)
  • 国名: フランス
  • 外国機関名: Lorraine University/CEA
• [国際共同研究] UCSD/GA(米国)
  • 国名: 米国
  • 外国機関名: UCSD/GA
• [国際共同研究] Max-Planck-institute for Plasma Physics/Technische Univ. Munchen(Germany)
  • 国名: ドイツ
  • 外国機関名: Max-Planck-institute for Plasma Physics/Technische Univ. Munchen
• [国際共同研究] CIEMAT(Spain)
  • 国名: スペイン
  • 外国機関名: CIEMAT
• [国際共同研究]
  • 他の国数: 1
• [雑誌論文] On the Application of Cross Bispectrum and Cross Bicoherence (2017)
  • 著者名/発表者名: Sanae-I. ITOH, Kimitaka ITOH, Yoshihiko NAGASHIMA and Yusuke KOSUGA
  • 雑誌名: Plasma and Fusion Research: Review Article 巻: 12 ページ: 1101003-1-9
  • DOI: 10.1585/pfr.12.1101003
  • 査読あり
• [雑誌論文] Zonal flow generation in parallel flow shear driven turbulence (2017)
  • 著者名/発表者名: Kosuga Y.、Itoh S.-I.、Itoh K.
  • 雑誌名: Physics of Plasmas 巻: 24 ページ: 032304-1-7
  • DOI: 10.1063/1.4978485
  • 査読あり
• [雑誌論文] Role of phase space structures in collisionless drift wave turbulence and impact on transport modeling (2017)
  • 著者名/発表者名: Kosuga Y.、Itoh S.-I.、Diamond P.H.、Itoh K.、Lesur M.
  • 雑誌名: Nuclear Fusion 巻: 57 ページ: 072006-1-11
  • DOI: 10.1088/1741-4326/57/7/072006
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Transport hysteresis of core plasma, isotope effect, and H-mode physics (2017)
  • 著者名/発表者名: S.-I. Itoh, K. Itoh and S. Inagaki
  • 雑誌名: Nuclear Fusion 巻: 57 ページ: 022003-1-8
  • DOI: 10.1088/0029-5515/57/2/022003
  • 査読あり / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] On the width of a pedestal in the H-mode (2017)
  • 著者名/発表者名: K. Itoh, S.-I. Itoh, K. Kamiya and T. Kobayashi
  • 雑誌名: Nuclear Fusion 巻: 57 ページ: 022005-1-5
  • DOI: 10.1088/0029-5515/57/2/022005
  • 査読あり / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Toroidal momentum channeling of geodesic acoustic modes driven by fast ions (2017)
  • 著者名/発表者名: M. Sasaki, N. Kasuya, K. Itoh, Y. Kosuga, M. Lesur, K. Hallatschek and S.-I. Itoh
  • 雑誌名: Nuclear Fusion 巻: 57 ページ: 036025-1-6
  • DOI: 10.1088/1741-4326/aa4eb4
  • 査読あり / 国際共著 / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Model validation for radial electric field excitation during L-H transition in JFT-2M tokamak (2017)
  • 著者名/発表者名: T. Kobayashi, K. Itoh, T. Ido, K. Kamiya, S.-I. Itoh, Y. Miura, Y. Nagashima, A. Fujisawa, S. Inagaki, K. Ida and K. Hoshino
  • 雑誌名: Nuclear Fusion 巻: 57 ページ: 072005-1-8
  • DOI: 10.1088/1741-4326/aa5d03
  • 査読あり / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] A simple model for electron dissipation in trapped ion turbulence (2017)
  • 著者名/発表者名: M. Lesur, T. Cartier-Michaud, T. Drouot, P. H. Diamond, Y. Kosuga, T. R´eveill´e, E. Gravier, X. Garbet, S.-I. Itoh and K. Itoh
  • 雑誌名: Physics of Plasmas 巻: 24 ページ: 012511-1-9
  • DOI: 10.1063/1.4974269
  • 査読あり / 国際共著 / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Phenomenological classification of turbulence states in linear magnetized plasma PANTA (2017)
  • 著者名/発表者名: T. Kobayashi, S. Inagaki, M. Sasaki, Y. Kosuga, H. Arakawa, F. Kin, T. Yamada, Y. Nagashima, N. Kasuya, A. Fujisawa, S.-I. Itoh and K. Itoh
  • 雑誌名: Plasma and Fusion Research 巻: 印刷中 ページ: 印刷中
  • 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Reconstruction of high temporal resolution Thomson scattering data during a modulated electron cyclotron resonance heating using conditional averaging (2016)
  • 著者名/発表者名: T. Kobayashi, K. Ida, K. Itoh, M. Yoshinuma, C. Moon, S. Inagaki, I. Yamada, H. Funaba, R. Yasuhara, S. Ohdachi, Y. Yoshimura, H. Igami, T. Shimozuma, S. Kubo, T. I. Tsujimura and LHD experiment group
  • 雑誌名: Review of Scientific Instruments 巻: 87 ページ: 043505-1-4
  • DOI: 10.1063/1.4945258
  • 査読あり / 国際共著 / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Improvement of the Reynolds stress probe for end-plate biasing experiment in a cylindrical laboratory plasma (2016)
  • 著者名/発表者名: T. Kanzaki, Y. Nagashima, S. Inagaki, F. Kin, Y. Miwa, M. Sasaki, T. Yamada, A. Fujisawa, T. Kobayashi, N. Kasuya, Y. Kosuga, S.-I. Itoh and K. Itoh
  • 雑誌名: Plasma and Fusion Research 巻: 11 ページ: 1201091-1-3
  • DOI: 10.1585/ pfr.11.1201091
  • 査読あり / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] On the Origin of Steep and Localized Radial Electric Field in the Transport Barrier at Plasma Edge (2016)
  • 著者名/発表者名: K. Itoh, S.-I. Itoh, T. Kobayashi, K. Kamiya, T. Ido, T. Tokuzawa, S. Inagaki and N. Kasuya
  • 雑誌名: Contributions to Plasma Physics 巻: 56 ページ: 522-527
  • DOI: 10.1002/ctpp.201610042
  • 査読あり / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Turbulence Dynamics with the Coupling of Density Gradient and Parallel Velocity Gradient in the Edge Plasmas (2016)
  • 著者名/発表者名: Y. Kosuga, S.-I. Itoh and K. Itoh
  • 雑誌名: Contributions to Plasma Physics 巻: 56 ページ: 511-515
  • DOI: 10.1002/ctpp.201610047
  • 査読あり / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Experimental validation of non-uniformity effect of the radial electric field on the edge transport barrier formation in JT-60U H-mode plasmas (2016)
  • 著者名/発表者名: K. Kamiya, K. Itoh and S.-I. Itoh
  • 雑誌名: Scientific Reports 巻: 6 ページ: 30585-1-7
  • DOI: 10.1038/srep30585
  • 査読あり / オープンアクセス / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Experimental Identification of Electric Field Excitation Mechanisms in a Structural Transition of Tokamak Plasmas (2016)
  • 著者名/発表者名: T. Kobayashi, K. Itoh, T. Ido, K. Kamiya, S.-I. Itoh, Y. Miura, Y. Nagashima, A. Fujisawa, S. Inagaki, K. Ida and K. Hoshino
  • 雑誌名: Scientific Reports 巻: 6 ページ: 30720-1-7
  • DOI: 10.1038/srep30720
  • 査読あり / オープンアクセス / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Ion internal transport barrier in neutral beam heated plasmas on HL-2A (2016)
  • 著者名/発表者名: D.L. Yu, Y.L. Wei, L. Liu, J.Q. Dong, K. Ida, K. Itoh, A.P. Sun, J.Y. Cao, Z.B. Shi, Z.X. Wang, Y. Xiao, B.S. Yuan, H.R. Du, X.X. He, W.J. Chen, Q. Ma, S.-I. Itoh, K.J. Zhao, Y. Zhou, J. Wang, X.Q. Ji, W.L. Zhong, Y.G. Li, J.M. Gao, W. Deng, Yi Liu, Y. Xu, L.W. Yan, Q.W. Yang, X.T. Ding, X.R. Duan, Yong Liu
  • 雑誌名: Nuclear Fusion 巻: 56 ページ: 056003-1-3
  • DOI: 10.1088/0029-5515/56/5/056003
  • 査読あり / 国際共著 / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Hydrogen isotope effect on the Dimits shift (2016)
  • 著者名/発表者名: S.-I. Itoh and K. Itoh
  • 雑誌名: Nuclear Fusion 巻: 56 ページ: 106028-1-6
  • DOI: 10.1088/0029-5515/56/10/106028
  • 査読あり / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] On Magnetic Signals of a Large-Scale Quasi-electrostatic Perturbation (2016)
  • 著者名/発表者名: K. Itoh, S.-I. Itoh, K. Ida and Y. Kosuga
  • 雑誌名: Journal of the Physical Society of Japan 巻: 85 ページ: 094504-1-4
  • DOI: 10.7566/JPSJ.85.094504
  • 査読あり / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Effects of radial electric field on suppression of electron-temperature-gradient mode through multiscale nonlinear interactions (2016)
  • 著者名/発表者名: C. Moon, T. Kaneko, K. Itoh, K. Ida, T. Kobayashi, S. Inagaki, S.-I. Itoh and R. Hatakeyama
  • 雑誌名: Plasma Physics and Controlled Fusion 巻: 58 ページ: 105007-1-6
  • DOI: 10.1088/0741-3335/58/10/105007
  • 査読あり / 国際共著 / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Eddy, drift wave and zonal flow dynamics in a linear magnetized plasma (2016)
  • 著者名/発表者名: H. Arakawa, S. Inagaki, M. Sasaki, Y. Kosuga, T. Kobayashi, N. Kasuya, Y. Nagashima, T. Yamada, M. Lesur, A. Fujisawa, S. -I. Itoh and K. Itoh
  • 雑誌名: Scientific Reports 巻: 6 ページ: 33371-1-7
  • DOI: 10.1038/srep33371
  • オープンアクセス / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Synchronization of Geodesic Acoustic Modes and Magnetic Fluctuations in Toroidal Plasmas (2016)
  • 著者名/発表者名: K. J. Zhao, Y. Nagashima, P. H. Diamond, J. Q. Dong, K. Itoh, S.-I. Itoh, L. W. Yan, J. Cheng, A. Fujisawa, S. Inagaki, Y. Kosuga, M. Sasaki, Z.X. Wang, L. Wei, Z. H. Huang, D.L. Yu, W. Y. Hong, Q. Li, X. Q. Ji, X. M. Song,Y. Huang, Yi. Liu, Q. W. Yang, X. T. Ding and X. R. Duan
  • 雑誌名: Physical Review Letters 巻: 117 ページ: 145002-1-6
  • DOI: 10.1103/PhysRevLett.117.145002
  • 査読あり / 国際共著 / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] A branch of energetic-particle driven geodesic acoustic modes due to magnetic drift resonance (2016)
  • 著者名/発表者名: M. Sasaki, N. Kasuya, K. Hallatschek, K. Itoh, Y. Kosuga and S.-I. Itoh
  • 雑誌名: Physics of Plasmas 巻: 23 ページ: 102501-1-7
  • DOI: 10.1063/1.4963397
  • 査読あり / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Observation of the inward propagation of spontaneous toroidal flow from the plasma boundary in LHD (2016)
  • 著者名/発表者名: K. Kamiya, K. Ida, K. Itoh, S.-I. Itoh, M. Yoshinuma, M. Yokoyama, S. Kubo, H. Tsuchiya, N. Tamura, S. Masuzaki, C. Suzuki, T. Akiyama and LHD experiment group
  • 雑誌名: Physics of Plasmas 巻: 23 ページ: 102309-1-5
  • DOI: 10.1063/1.4965908
  • 査読あり / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Structure formation in parallel ion flow and density profiles by cross-ferroic turbulent transport in linear magnetized plasma (2016)
  • 著者名/発表者名: T. Kobayashi, S. Inagaki, Y. Kosuga, M. Sasaki, Y. Nagashima, T. Yamada, H. Arakawa, N. Kasuya, A. Fujisawa, S.-I. Itoh and K. Itoh
  • 雑誌名: Physics of Plasmas 巻: 23 ページ: 102311-1-9
  • DOI: 10.1063/1.4965915
  • 査読あり / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Abrupt onset of tongue deformation and phase space response of ions in magnetically-confined plasmas (2016)
  • 著者名/発表者名: K. Ida, T. Kobayashi, K. Itoh, M. Yoshinuma, T. Tokuzawa, T. Akiyama, C. Moon, H. Tsuchiya, S. Inagaki and S.-I. Itoh
  • 雑誌名: Scientific Reports 巻: 6 ページ: 36217-1-8
  • DOI: 10.1038/srep36217
  • 査読あり / 国際共著 / 謝辞記載あり
• [学会発表] 平行流れシアが駆動する乱流における対流胞 (2017)
  • 著者名/発表者名: 小菅佑輔、伊藤早苗、伊藤公孝、佐々木真
  • 学会等名: 日本物理学会第72回年次大会
  • 発表場所: 大阪大学（大阪府）
  • 年月日: 2017-03-17 – 2017-03-20
• [学会発表] JFT-2MトカマクにおけるLH遷移時の電場形成の物理機構 (2016)
  • 著者名/発表者名: 小林達哉, 伊藤公孝 井戸毅, 神谷健作, 伊藤早苗, 三浦幸俊, 永島芳彦, 藤澤彰英, 稲垣滋, 居田克巳, 星野克道
  • 学会等名: 第33回プラズマ・核融合学会年会
  • 発表場所: 東北大学（宮城県）
  • 年月日: 2016-11-29 – 2016-12-02
• [学会発表] Hysteresis and Fast Timescale in Transport Relation of Toroidal Plasmas (2016)
  • 著者名/発表者名: K. Itoh, S.-I. Itoh, K. Ida, S. Inagaki, Y. Kamada, K. Kamiya, J. Q. Dong, C. Hidalgo, T. Evans, W. H. Ko, H. Park, T. Tokuzawa, S. Kubo, T. Kobayashi, Y. Kosuga, M. Sasaki, G. S. Yun, S. D. Song, N. Kasuya, Y. Nagashima, C. Moon, M. Yoshinuma, R. Makino, T. Tsujimura, H. Tsuchiya, U. Stroth
  • 学会等名: 26th IAEA Fusion Energy Conference
  • 発表場所: 国立京都国際会館（京都府）
  • 年月日: 2016-10-17 – 2016-10-22
  • 国際学会
• [学会発表] 磁場方向流れ場駆動乱流の波数スペクトル時間発展 (2016)
  • 著者名/発表者名: 小菅佑輔、伊藤早苗、伊藤公孝
  • 学会等名: 日本物理学会2016年秋季大会
  • 発表場所: 金沢大学（石川県）
  • 年月日: 2016-09-13 – 2016-09-16
• [学会発表] Dimits shiftへの水素同位体効果 (2016)
  • 著者名/発表者名: 伊藤早苗、伊藤公孝
  • 学会等名: 日本物理学会2016年秋季大会
  • 発表場所: 金沢大学（石川県）
  • 年月日: 2016-09-13 – 2016-09-16
• [学会発表] スケール混合と輸送障壁の構造 (2016)
  • 著者名/発表者名: 伊藤公孝、伊藤早苗、小林達哉、神谷健作
  • 学会等名: 日本物理学会2016年秋季大会
  • 発表場所: 金沢大学（石川県）
  • 年月日: 2016-09-13 – 2016-09-16
• [学会発表] Role of granula,ons in phase space turbulence (2016)
  • 著者名/発表者名: Y. Kosuga
  • 学会等名: The 18th International Congress on Plasma Physics (ICPP 2016)
  • 発表場所: 台湾
  • 年月日: 2016-06-27 – 2016-07-01
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Spatio-temporal dynamics of L-H transition - An advanced data analysis (2016)
  • 著者名/発表者名: T. Kobayashi, K. Itoh, T.Ido, K. Kamiya, S.-I. Itoh, Y. Miura, Y. Nagashima, A. Fujisawa, S. Inagaki, K.Ida and K. Hoshino
  • 学会等名: The 18th International Congress on Plasma Physics (ICPP 2016)
  • 発表場所: 台湾
  • 年月日: 2016-06-27 – 2016-07-01
  • 国際学会 / 招待講演