定常化球状トカマク開磁気面領域における能動的放射損失が誘起する熱流変動

2015 年度 実施状況報告書

• 研究課題/領域番号: 15K17800
• 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, 学術研究員 (00727216)
• 研究期間 (年度): 2015-04-01 – 2017-03-31
• キーワード: プラズマ熱流束 / 放射損失

研究実績の概要

磁場閉じ込めプラズマ核融合炉におけるプラズマ対向材料の崩壊を防ぐ方法として，能動的放射損失による熱流速低減が重要であり，その実験的検証を目指している．そのための計測器整備として，球状トカマクにおけるスクレイプオフ層（SOL）のプラズマ計測に用いる複合静電プローブの製作を行った．このプローブはトリプルプローブ（電子温度，電子密度，熱流束計測）とマッハプローブ（プラズマの流速計測，プラズマ粒子束の方向性観測）を組み合わせたものである．この複合プローブを球状トカマク装置QUESTに設置し，遠方SOL領域においてプラズマ計測を行った．長時間プラズマ放電やトカマク配位等に適用してデータを得た．複合プローブによる計測を中性粒子の観測と併用することで，プラズマ壁相互作用の研究にも役立っている．同時にQUEST装置の温度計測システムを用いてプラズマ放電とプラズマ対向壁温度の関係を調べた．QUEST装置の熱分布をプラズマを含めて総合的に理解するために，これらの計測結果と解析データを役立てている．
また局所的ガス入射システムの整備を行った．短時間のバルブ開閉を可能とするパルスバルブをQUEST装置のガス入射系統に導入した．パルスバルブの駆動回路を設置し，システムの試験を行った．

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

初年度は計測器の整備を進めた．複合静電プローブを設計・製作し，球状トカマク装置QUESTの遠方SOL領域に適用させた．電子密度，電子温度，熱流束，プラズマ流速の計測として活用されている．電子サイクロトロン加熱のみで生成されるトカマク配位では，プラズマ対向壁に近い遠方SOL領域においても十分に早い流れが観測されている．本年度，QUESTでは1000秒のトカマク配位・電流駆動を実現させ，その歳に起きる遠方SOL領域のパラメータを調べることが出来た．この1000秒放電によってガス入射による放射損失効果を調べるために重要なターゲットプラズマを定めることが出来た．SOL領域への局所的ガス入射を用いた能動的放射損失による熱流変化を調べる長時間スケール実験が可能となり，次年度に活用させる基盤を作った．
局所的ガス入射のためのシステムを整備したが，次年度にはその運用を開始出来る段階にある．バルブ系統に時間と予算を必要としたため，QUEST装置既存の高性能ラバルノズルを利用してシステムを整備することとした．

今後の研究の推進方策

初年度で整備した計測器とガス入射システムを活用し超音速分子ビーム入射実験を行う．初年度で実現した1000秒トカマク放電というターゲットを利用する．能動的放射損失による熱流束低減を目標にするため，熱流束及び温度の計測を重要視し，準備を進める必要がある．実験ではラバルノズルとパルスバルブを利用し，SOL領域のみに超音速分子ビーム入射を行うことで，コア領域のプラズマを乱すことなく充分に放射損失を起こすことを目指す．QUEST装置に設置された各種計測器群（主にSOL領域とプラズマ対向壁上に設置されたもの）を活用し，超音速分子ビーム入射を行うことで起きるプラズマと熱の変化，プラズマ流の振舞や粒子の拡散を詳細に調べる．

研究成果

• [雑誌論文] Comparative studies of inner and outer divertor discharges and a fueling study in QUEST (2016)
  • 著者名/発表者名: O Mitarai, K Nakamura, M Hasegawa, T Onchi, H Idei, A Fujisawa, K Hanada, H Zushi, A Higashijima, H Nakashima, S Kawasaki, K Matsuoka, S Koike, T Takahashi, H Tsutsui
  • 雑誌名: Fusion Engineering and Design 巻: 109-111 ページ: 1365-1370
  • DOI: http://doi.org/10.1016/j.fusengdes.2015.12.022
  • 査読あり
• [雑誌論文] Tomography as a promising diagnostic tool for plasma turbulence (2016)
  • 著者名/発表者名: A Fujisawa, Y Nagashima, S Inagaki, T Onchi, S Ohshima, A Shimizu
  • 雑誌名: Plasma Physics and Controlled Fusion 巻: 58 ページ: 025005
  • DOI: 10.1088/0741-3335/58/2/025005
  • 査読あり
• [雑誌論文] Multiple wall-reflection effect in adaptive-array differential-phase reflectometry on QUEST (2016)
  • 著者名/発表者名: H Idei, K Mishra, MK Yamamoto, A Fujisawa, Y Nagashima, M Hamasaki, Y Hayashi, T Onchi, K Hanada, H Zushi
  • 雑誌名: Journal of Instrumentation 巻: 11 ページ: C01014
  • DOI: 10.1088/1748-0221/11/01/C01014
  • 査読あり
• [雑誌論文] Development Toward a Repetitive Compact Torus Injector (2016)
  • 著者名/発表者名: T. Onchi, D. McColl, A. Rohollahi, C. Xiao, A. Hirose, M. Dreval, and S. Wolfe
  • 雑誌名: IEEE TRANSACTIONS ON PLASMA SCIENCE 巻: 44 ページ: 195
  • DOI: 10.1109/TPS.2015.2499218
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Dynamical programming based turbulence velocimetry for fast visible imaging of tokamak plasma (2015)
  • 著者名/発表者名: Santanu Banerjee, H Zushi, N Nishino, K Mishra, T Onchi, A Kuzmin, Y Nagashima, K Hanada, K Nakamura, H Idei, M Hasegawa, A Fujisawa
  • 雑誌名: Review of Scientific Instruments 巻: 86 ページ: 033505
  • DOI: 10.1063/1.4914838
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Self organization of high beta_p plasma equilibrium with an inboard poloidal magnetic field null in QUEST (2015)
  • 著者名/発表者名: Kishore Mishra, H Zushi, H Idei, M Hasegawa, T Onchi, S Tashima, S Banerjee, H Hanada, H Togashi, T Yamaguchi, A Ejiri, Y Takase, K Nakamura, A Fujisawa, Y Nagashima, A Kuzmin
  • 雑誌名: Nuclear Fusion 巻: 55 ページ: 083009
  • DOI: 10.1088/0029-5515/55/8/083009
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Heat flux and plasma flow in the far scrape-off layer of the inboard poloidal field null configuration in QUEST (2015)
  • 著者名/発表者名: T Onchi, H Zushi, K Mishra, Y Mahira, K Nagaoka, K Hanada, H Idei, M Hasegawa, K Nakamura, A Fujisawa, Y Nagashima, K Matsuoka, S Tashima, S Banerjee, A Kuzmin, S Kawasaki, H Nakashima, A Higashijima, O Watanabe
  • 雑誌名: Physics of Plasmas (1994-present) 巻: 22 ページ: 082513
  • DOI: 10.1063/1.4928878
  • 査読あり / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Global gas balance and influence of atomic hydrogen irradiation on the wall inventory in steady-state operation of QUEST tokamak (2015)
  • 著者名/発表者名: A Kuzmin, H Zushi, I Takagi, SK Sharma, A Rusinov, Y Inoue, Y Hirooka, H Zhou, M Kobayashi, M Sakamoto, K Hanada, N Yoshida, K Nakamura, A Fujisawa, K Matsuoka, H Idei, Y Nagashima, M Hasegawa, T Onchi, S Banerjee, K Mishra
  • 雑誌名: Journal of Nuclear Materials 巻: 463 ページ: 1087
  • DOI: 10.1016/j.jnucmat.2014.12.092
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Observation of heat flux and plasma flow in scrape off layer in QUEST (2015)
  • 著者名/発表者名: T Onchi, Y Mahira, K Nagaoka, S Tashima, S Banerjee, K Mishra, H Idei, K Hanada, K Nakamura, A Fujisawa, Y Nagashima, M Hasegawa, K Matsuoka, A Kuzmin, O Watanabe, S Kawasaki, H Nakashima, A Higashijima
  • 雑誌名: Journal of Nuclear Materials 巻: 463 ページ: 428
  • DOI: 10.1016/j.jnucmat.2014.11.136
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Particle balance in long duration RF driven plasmas on QUEST1084 (2015)
  • 著者名/発表者名: K Hanada, H Zushi, N Yoshida, N Yugami, T Honda, M Hasegawa, K Mishra, A Kuzmin, K Nakamura, A Fujisawa, H Idei, Y Nagashima, O Watanabe, T Onchi, H Watanabe, K Tokunaga, A Higashijima, S Kawasaki, H Nakashima, Y Takase, A Fukuyama, O Mitarai, YKM Peng
  • 雑誌名: Journal of Nuclear Materials 巻: 463 ページ: 1084
  • DOI: 10.1016/j.jnucmat.2015.01.013
  • 査読あり / 国際共著
• [学会発表] QUEST - IPN 配位における ガスパフ入射時の遠方 SOL 流の振る舞い (2016)
  • 著者名/発表者名: 恩地拓己，図子秀樹， Kishore Mishra ，小山雄也 A ，永島芳彦，花田和明，出射 浩，長谷川真，藤澤彰英，中村一男， Arseniy Kuzmin, QUEST team
  • 学会等名: 日本物理学会 第71回年次大会
  • 発表場所: 東北学院大学泉キャンパス
  • 年月日: 2016-03-19 – 2016-03-22
• [学会発表] Modification of far-SOL flow by substantial gas injection in the inboard poloidal field null configuration on QUEST (2015)
  • 著者名/発表者名: T Onchi, H Zushi, Y Oyama, K Mishra, Y Nagashima, K Hanada, H Idei, M Hasegawa, A Kuzmin, K Nakamura, A Fujisawa, K Nagaoka
  • 学会等名: American Physical Society
  • 発表場所: Savannah, GA, USA
  • 年月日: 2015-11-16 – 2015-11-20
  • 国際学会