ヘリカル型核融合炉における平衡磁場配位の自己修復機能

2015 年度 実施状況報告書

• 研究課題/領域番号: 15K06649
• 研究機関: 核融合科学研究所
• 研究代表者: 成嶋 吉朗 核融合科学研究所, ヘリカル研究部, 助教 (40332184)
• 研究期間 (年度): 2015-04-01 – 2019-03-31
• キーワード: 磁気島 / ヘリオトロン / 核融合 / プラズマ / 平衡磁場配位

研究実績の概要

エネルギー環境技術研究センター国立核融合研究所(スペイン)との共同研究において、以下の研究活動を実施した。① 核融合プラズマ実験装置TJ-IIでの実験データ収集：平衡磁場配位の構造を調整して磁気島を出現させるために、プラズマ放電中にトロイダル電流駆動用のコイル電流を変化させる運転を行った。② TJ-II装置のデータ解析用プログラムの開発：プラズマ放電中のトロイダル電流駆動用のコイル電流の変化を考慮したあらたな磁場揺動解析プログラムを開発した。③ TJ-II装置の実験データ解析： 磁気島のダイナミクスを検出するために、新たに開発したプログラムを用いて過去数年分の実験を含めたデータを解析した。プラズマ電流とプラズマ蓄積エネルギーの影響に着目して解析を進めた結果、磁気計測系へのそれぞれの影響を定量化することができた。これにより、磁気島の変化に伴うプラズマ電流・プラズマ蓄積エネルギーの変化を通じた磁場揺動信号の解析が可能となった。
国際学会への発表について。10月にドイツグライフスバルトで開催された20th International Stellarator-Heliotron Workshopにおいて、"Spontaneous healing of magnetic islands in the LHD by plasma flow"の題目で発表を行った。核融合科学研究所の大型ヘリカル装置(LHD)において観測されている磁気島のヒーリングすなわち平衡磁場配位の堅牢性について、異なる条件下での振舞いの統一的な理解を示した。
国内学会への発表について。11月に愛知県名古屋市で開催されたプラズマ・核融合学会第32回年会において、"LHDプラズマ中の磁気島遷移時の磁気島構造"の題目で発表を行った。磁気島が遷移する際の構造が、これまで発見されなかった構造を示すことを見出した。

現在までの達成度 (区分)

2: おおむね順調に進展している

理由

平成27年度は火災事故によりLHD実験がキャンセルされるという当初予期していない事態が発生した。そのため、新しい発見や研究の進展が得られないと思われた。しかしながら、海外の研究所への長期派遣や、これまでLHDで得られてきた実験データの詳細な解析を行った結果、初年度としては大きな進展と新たな発見がみられた。すなわち、LHD実験において、「磁気島の中間状態」を新たに発見した。これまでの研究では、磁気島は消失または拡大どちらかの状態を示し、消失と拡大の中間状態を定常的に維持する現象は観測されてこなかった。また、理論研究においても、中間状態は過渡的に存在しうるものとされてきた。それに対し、本年度の研究においては、磁気島の中間状態が約２秒間維持される様子を観測した。磁気島が中間状態にあるときのプラズマパラメータ領域を明らかにしたほか、新たにRMP磁場とプラズマ応答磁場の重ね合わせによる磁場を計算し、中間状態にある磁気島構造を示した。また、この磁気島構造は電子温度分布に現れる局所的平坦化構造と一致する。中間状態の定常的維持は、有限な幅を持つ磁気島が真空磁気島の位相と必ずしも一致するわけではないことを意味し、プラズマの影響を考慮する必要があることを示す。このように、新しい発見により、当初予期していない事態を補うことができている。そのため、トータル的におおむね順調に進展しているといえる。

今後の研究の推進方策

平成27年度におけるLHD実験のキャンセルは全体計画の遅延をもたらした。しかしながら、新たに発見された「磁気島の中間状態」に基づき、その理解を伸長することで全体計画の遅延を補うものとする。平成28年度においてはIAEA-FEC（京都）においてその研究成果を発表し、議論や情報収集をおこなう。並行して、国際共同研究強化の一環としてスペインのCIEMAT研究所との連携を一層深め、磁気島の中間状態の理解に重きを置いた研究を進める。また、磁気島の中間状態を同定する際に用いた磁気計測の解析手法は、これまで本研究でスコープに入っていなかったデタッチプラズマの特性を理解するために有用である可能性が出てきた。すなわち、デタッチプラズマは外部摂動磁場が増長されたときに発現することが実験結果から明らかになってきた。新発見の現象の解明と、それに伴うデタッチメントプラズマの理解に伴う平衡磁場配位の堅牢性の確認、磁気島が拡大する理由を発見することで、題目の目的の達成が可能となる見通しがついている。

次年度使用額が生じた理由

当初参加予定の国際会議（20th International Stellarator-Heliotron Workshop）について、諸般の事情により渡航できないことになった。発表は代理の者に行ってもらったが、それにより、渡航にかかる費用（日本-ドイツ）を支出しなかったため、差額が生じたものである。

次年度使用額の使用計画

平成28年度分として請求した助成金は計画通りに使用する予定である。それに加えて、「次年度使用額（B-A）」については、本来旅費としての支出を予定していた費用であるため、本来の目的に沿って平成28年度における国際共同研究の強化ために、使用する計画である。スペインのCIEMAT研究所を訪問し、磁気島の中間状態の理解のための議論や実験データの解析などの研究を進める。

研究成果

• [国際共同研究] エネルギー環境技術研究センター(CIEMAT)(スペイン)
  • 国名: スペイン
  • 外国機関名: エネルギー環境技術研究センター(CIEMAT)
• [国際共同研究] RFX研究所(イタリア)
  • 国名: イタリア
  • 外国機関名: RFX研究所
• [国際共同研究] ウィスコンシン大学(米国)
  • 国名: 米国
  • 外国機関名: ウィスコンシン大学
• [雑誌論文] Experimental observation of response to resonant magnetic perturbation and its hysteresis in LHD (2015)
  • 著者名/発表者名: Y. Narushima, S. Sakakibara, S. Ohdachi, Y. Suzuki, K.Y. Watanabe, S. Nishimura, S. Satake, B. Huang, M. Furukawa, Y. Takemura, K. Ida, M. Yoshinuma, I. Yamada and The LHD Experiment Group
  • 雑誌名: Nuclear Fusion 巻: 55 ページ: 073004
  • DOI: 10.1088/0029-5515/55/7/073004
  • 査読あり / オープンアクセス
• [学会発表] LHDプラズマ中の磁気島遷移時の磁気島構造 (2015)
  • 著者名/発表者名: Y. Narushima, S. Sakakibara, Y. Suzuki, K. Y. Watanabe, S. Ohdachi, Y. Takemura, M. Kobayashi, H. Tanaka, T. Akiyama, N. Ohno, and the LHD Experiment Group
  • 学会等名: プラズマ・核融合学会 第32回年会
  • 発表場所: 愛知県 名古屋大学
  • 年月日: 2015-11-24 – 2015-11-27
• [学会発表] Spontaneous healing of magnetic islands in the LHD by plasma flow (2015)
  • 著者名/発表者名: Y. Narushima, C. C. Hegna, S. Sakakibara, F. Castejón, K. Y. Watanabe, D. López-Bruna, S. Ohdachi, Y. Suzuki, S. Nishimura, M. Furukawa, Y. Takemura, K. Ida, M. Yoshinuma, I. Yamada, M. Yokoyama, S. Satake, B. Huang, and the LHD Experiment Group
  • 学会等名: 20th International Stellarator-Heliotron Workshop
  • 発表場所: ドイツ グライフスバルト
  • 年月日: 2015-10-05 – 2015-10-09
  • 国際学会