原型炉プラズマの運転裕度の定量的評価と燃焼制御シナリオ概念の構築

2018 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 15K06660
• 研究機関: 国立研究開発法人量子科学技術研究開発機構
• 研究代表者: 坂本 宜照 国立研究開発法人量子科学技術研究開発機構, 六ヶ所核融合研究所 核融合炉システム研究開発部, グループリーダー(定常) (30354583)
• 研究期間 (年度): 2015-04-01 – 2019-03-31
• キーワード: 核融合原型炉 / 過渡応答特性 / 燃焼制御シナリオ / 運転裕度

研究実績の概要

本研究では、高い自律性を持つ原型炉プラズマの物理パラメーターのデータベースの構築とともに、基本運転シナリオのプラズマ過渡応答特性解析に基づいて、運転裕度評価、燃焼制御シナリオの構築を目指した。
過年度までに原型炉プラズマ物理パラメーターのデータベースと1.5次元非定常輸送解析に基づく基本運転シナリオの構築、プラズマ過渡応答特性解析を実施した。今年度は、プラズマ平衡制御シミュレーターMECSに３次元導体壁構造を考慮するように改良を行い、垂直位置安定性を確保しつつ高楕円度プラズマを立ち上げるシナリオを構築した。さらに、運転裕度を評価するため、線形理想MHD安定性解析コードMARG2Dを用いたベータ限界への導体壁効果を評価した。
高楕円度プラズマの立ち上げシナリオの構築では、計算メッシュと３次元渦電流固有モードの時定数と相互インダクタンスを３次元渦電流解析により評価し、それをMECSに適用することで３次元導体構造物構造の影響を考慮できるようにした。さらに、昨年度までに実施した1.5次元非定常輸送解析コード(TOPICS)を用いて評価したプラズマパラメータの時間発展を用いた上で、高楕円度プラズマ配位を安定に立ち上げるシナリオを構築することに成功した。運転裕度評価については、昨年度までに構築した分布データベースに対して、ベータ限界に対する導体壁効果を解析するとともに、ベータ限界の導体壁位置に対する依存性を明らかにした。さらに、今年度に実施したベータ限界評価と昨年度に実施したプラズマ過渡応答特性を組み合わせることで運転裕度を評価した。
本研究成果は、複雑なパラメータ連関を持つ高自律性燃焼プラズマにおける運転裕度を定量的に評価する手法を初めて構築した意義があり、本成果の一部はIAEA主催の核融合エネルギー会議で口頭発表を行うとともに、Nuclear Fusion誌に投稿予定である。

研究成果

• [学会発表] Progress of Plasma Scenario Modeling for JA DEMO (2019)
  • 著者名/発表者名: Yoshiteru Sakamoto, Nobuhiko Hayashi, Shinsuke Tokunaga, Nobuyuki Aiba, Akinobu Matsuyama, Nobuyuki Asakura, Ryoji Hiwatari, Hiroyasu Utoh, Youji Someya, Yuki Homma, Yuya Miyoshi, Kenji Tobita and the Joint Special Design Team for Fusion DEMO
  • 学会等名: The 14th International Symposium on Fusion Nuclear Technology (ISFNT-14)
  • 国際学会
• [学会発表] Development of physics and engineering designs for Japan’s DEMO concept (2018)
  • 著者名/発表者名: Y. Sakamoto and the Joint Special Design Team for Fusion DEMO
  • 学会等名: The 27th IAEA Fusion Energy Conference (FEC-2018)
  • 国際学会
• [学会発表] Operation scenario development and control issues on DEMO (2018)
  • 著者名/発表者名: Y. Sakamoto, S. Tokunaga, N. Hayashi, T. Wakatsuki, S. Ide, K. Tobita and the Joint Special Design Team for Fusion DEMO
  • 学会等名: The 5th DEMO Programme Workshop
  • 国際学会
• [学会発表] 原型炉概念設計の進捗と展望 (2018)
  • 著者名/発表者名: 坂本宜照
  • 学会等名: 第12回核融合エネルギー連合講演会
  • 招待講演
• [学会発表] 原型炉概念構築に向けた物理設計の進展 (2018)
  • 著者名/発表者名: 坂本宜照、朝倉伸幸、徳永晋介、本間裕貴、三善悠矢、相羽信行、松山顕之、若月琢馬、宮田良明、林伸彦、井手俊介、星野一生、長﨑百伸（、出射浩、福山淳、前川孝、新谷吉郎、柴田欣秀、宇藤裕康、染谷洋二、日渡良爾、飛田健次、原型炉設計合同特別チーム
  • 学会等名: 第12回核融合エネルギー連合講演会
• [学会発表] 原型炉概念構築に向けた物理設計の進捗 (2018)
  • 著者名/発表者名: 坂本宜照、飛田健次、朝倉伸幸、徳永晋介、相羽信行、松山顕之、本間裕貴、三善悠矢、井手俊介、林伸彦、宇藤裕康、染谷洋二、日渡良爾、新谷吉郎、長﨑百伸、出射浩、福山淳、前川孝、後藤拓也、藤田隆明、原型炉設計合同特別チーム
  • 学会等名: 第35回プラズマ・核融合学会年会