乱流プラズマの構造形成と選択則の総合的研究

2005 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 16002005
• 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: 矢木 雅敏 九州大学, 応用力学研究所, 教授 (70274537) ; 河合 良信 九州大学, 応用力学研究所, 特任教授 (10038565) ; 篠原 俊二郎 九州大学, 大学院総合理工学研究院, 助教授 (10134446) ; 伊藤 公孝 核融合科学研究所, 大型ヘリカル研究部, 教授 (50176327) ; 藤澤 彰英 核融合科学研究所, 大型ヘリカル研究部, 助教授 (60222262)
• キーワード: プラズマ乱流 / 構造形成 / 選択則 / 乱流輸送 / メゾスケール構造 / 構造相転 / 確率的遷移 / 乱流計測

研究概要

(i)理論
乱流揺動と流れのエネルギー分配比の理論表式が導出され非線形シミュレーションの検証を得た。トカマクプラズマのH-モード遷移と呼ばれる構造相転移において、二次元構造の界面が出来ることを理論的に示し急速に密度勾配が形成されることを示した。従来謎とされていたH-モード遷移における急速な勾配形成に理解を与えた。
(ii)非線形シミュレーション
トーラスプラズマについて、乱流揺動が時空発展をするダイナミックスが数値実験で明確に観測され、理論式との比較を可能にした。帯状流と微視的乱流の結合問題では、乱流が帯状流を生み出す力がシミュレーションで観測され乱流輸送の理論式を検定した。微視的な乱流揺動が急速に成長することによって巨視的なMHD(磁気流体力学)不安定性を早く成長させることを発見し、多重スケールの非線形機構が共存するプラズマの構造形成過程を見出した。
(iii)輸送シミュレーション
理論の成果を輸送コードに結合し、トカマク実験の予言力あるコードを発展させた。輸送コードTASK2005は国際的にも高い評価を受け国際熱核融合実験炉の計画を先導しており、その公開・出版の作業を進めた。直線プラズマ実験の設計解析のための「数値直線プラズマ(numerical linear device : NLD)」を開発した。直線プラズマを対象にシミュレーションをおこない、乱流状態を実現する実験条件を探索し、乱流の時空構造に基づいて実験観測の高精度化を可能にした。
(iv)実験研究
直線プラズマ装置では、持続時間400ms(2秒周期)のブルーモードと呼ばれる比較的高密度のプラズマ生成が達成された。浮遊電位やイオン飽和電流データを含め192チャンネル同時に1μsきざみで収集するデータロガーとサーバーのシステムが完成させた。CHS装置では、重イオンビームプローブによる100-300kHz程度の高周波乱流の位相を含めた精度の高い内部構造の観測が達成された。高周波アルフベンモードの時間発展の様子を極めて明瞭に観測する事に成功した。

研究成果

• [雑誌論文] Turbulence and transport characteristics on a barrier in a toroidal plasma (2006)
  • 著者名/発表者名: A.Fujisawa, A.Shimizu, H.Nakano, S.Ohsima, K.Itoh, H.Iguchi, Y.Yoshimura, T.Minami, K.Nagaoka, C.Takahashi, M.Kojima, S.Nishimura, M.Isobe, C.Suzuki, T.Akiyama, Y.Nagashima, K.Ida, K.Toi, T.Ido, S.-I.Itoh, K.Matsuoka, S.Okamura, P.H.Diamond
  • 雑誌名: Plasma Phys.Contr.Fusion (印刷中)
• [雑誌論文] Geodesic-Acoustic-Mode in JFT-2M tokamak plasmas (2006)
  • 著者名/発表者名: T.Ido, Y.Miura, K.Kamiya, Y.Hamada, K.Hoshino, A.Fujisawa, K.Itoh, S.-I.Itoh, A.Nishizawa, H.Ogawa, Y.Kusama, JFT-2M group
  • 雑誌名: Plasma phys.Contr.Fusion (印刷中)
• [雑誌論文] Spectrograph of Electric Field Fluctuation in Toroidal Helical Plasma (2006)
  • 著者名/発表者名: A.Fujisawa, K.Itoh, A.Shimizu, H.Nakano, S.Ohsima, H.Iguchi, K.Matsuoka, S.Okamura, S.-I.Itoh, P.H.Diamond
  • 雑誌名: Plasma Phys.Contr.Fusion (印刷中)
• [雑誌論文] Anomalous diffusion of cosmic rays in magnetic field turbulence : Linkage between diffusion statistics and turbulence statistics (2006)
  • 著者名/発表者名: F.Otsuka, T.Hada
  • 雑誌名: Prog.Theor.Phys.Supplement (印刷中)
• [雑誌論文] Simulation of resistive drift wave turbulence in linear device (2006)
  • 著者名/発表者名: N.Kasuya, M.Yagi, K.Itoh
  • 雑誌名: J.Plasma Phys. (印刷中)
• [雑誌論文] Two-dimensional structure of plasma flow and particle punch in tokamak H-mode (2005)
  • 著者名/発表者名: Naohiro Kasuya, Kimitaka Itoh
  • 雑誌名: Phys.Rev.Lett. 94・19 ページ: 195002
• [雑誌論文] Turbulent transport of the ions with large Larmor radii (2005)
  • 著者名/発表者名: M Vlad, F Spineanu, Sanae-I Itoh, M Yagi, K.Itoh
  • 雑誌名: Plasma Phys.Control.Fusion 47 ページ: 1015
• [雑誌論文] Coherent structure of zonal flow and onset of turbulent transport (2005)
  • 著者名/発表者名: K.Itoh, K.Hallatschek, S.-I Itoh, P.H.Diamond, S.Toda
  • 雑誌名: Phys.Plasmas 12 ページ: 062303
• [雑誌論文] Self-sustained annihilation of magnetic islands in helical plasmas (2005)
  • 著者名/発表者名: Kimitaka Itoh, Sanae-I.Itoh, Masatoshi Yagi
  • 雑誌名: Phys.Plasmas 12・7 ページ: 072512
• [雑誌論文] Impact of Turbulence Spreading on Subcritical Turbulence in Inhomogeneous Plasmas (2005)
  • 著者名/発表者名: K.Itoh, S.-I.Itoh, T.S.Hahm, P.H.Diamond
  • 雑誌名: Journal of the Physical Society of Japan 74・7 ページ: 2001
• [雑誌論文] Expected progress in advanced diagnostics (2005)
  • 著者名/発表者名: K.Itoh
  • 雑誌名: J.Plasma Fusion Research 81 ページ: 338
• [雑誌論文] Characteristics of Bistable Transition in Magnetized Plasma by Control of Voltage Biasing (2005)
  • 著者名/発表者名: S.Shinohara, Y.Nakamura, S.Horii
  • 雑誌名: Thin Solid Films (印刷中)
• [雑誌論文] Nonlinear Simulation of Tearing Mode and m=1 Kink Mode Based on Kinetic RMHD Model (2005)
  • 著者名/発表者名: M.Yagi, S.Yoshida, S.-I.Itoh, H.Naitou, H.Nagahara, J.-N.Leboeuf, K.Itoh, T.Matsumoto, S.Tokuda, M.Azumi
  • 雑誌名: Nucl.Fusion 45・7 ページ: 900
• [雑誌論文] Multi-dimensional structure of the electric field in tokamak H-mode (2005)
  • 著者名/発表者名: Naohiro Kasuya, Kimitaka Itoh
  • 雑誌名: J.Plasma Fusion Research 81・7 ページ: 553
• [雑誌論文] Convective particle transport arising from poloidal inhomogeneity in tokamak H mode (2005)
  • 著者名/発表者名: N.Kasuya, K.Itoh
  • 雑誌名: Physics of Plasmas 12・9 ページ: 090905
• [雑誌論文] Observation of nonlinear couplings between coherent and turbulent potential fluctuations in ohmically heated plasmas of JFT-2M (2005)
  • 著者名/発表者名: Y.Nagashima, K.Hoshino, A.Ejiri, K.Shionohara, Y.Takase, K.Tsuzuki, K.Uehara, H.Kawashima, H.Ogawa, T.Ido, Y.Kusama, Y.Miura
  • 雑誌名: Phys.Rev.Lett 95 ページ: 095002
• [雑誌論文] Extension of GAM theory to Helical Systems (2005)
  • 著者名/発表者名: T.Watari, H.Hamada, A.Fujisawa, K.Toi, K.Itoh
  • 雑誌名: Phys.Plasmas 12・6 ページ: 062304
• [雑誌論文] On the bicoherence analysis of plasma turbulence (2005)
  • 著者名/発表者名: K.Itoh, Y.Nagashima, S-I Itoh, P.H.Diamond, A.Fujisawa, M.Yagi, A.Fukuyama
  • 雑誌名: Phys.Plasmas 12・10 ページ: 102301
• [雑誌論文] Test of the Theoretical Model for the Improved Confinement in Helical Plasmas (2005)
  • 著者名/発表者名: Shinichiro TODA, Kimitaka ITOH
  • 雑誌名: Journal of the Physical Society of Japan 74・11 ページ: 2987
• [雑誌論文] Consideration of Manetic Field Fluctuation Measurements in Torus Plasma with a Heavy Ion Beam Probe (2005)
  • 著者名/発表者名: A.Shimizu, A.Fujisawa, S.Ohshima, H.Nakano
  • 雑誌名: Review of Scientific Instruments 76 ページ: 043504
• [雑誌論文] Simultaneous Measurements of Density and Potential Fluctuation with Heavy Ion Beam Probe in the Compact Helical System (2005)
  • 著者名/発表者名: H.Nakano, A.Fujisawa, A.Shimizu, T.Minami, Y.Yoshimura, S.Okamura, K.Matsuoka, S.Ohshima
  • 雑誌名: Review of Scientific Instruments 75 ページ: 3505
• [雑誌論文] Possible Global Magneto-Fluid Structure of the Solar Convection Zone (2005)
  • 著者名/発表者名: S.-I.Itoh, K.Itoh, P.H.Diamond, A.Yoshizawa
  • 雑誌名: The Astrophysical Journal, (印刷中)
• [雑誌論文] Bispectral analysis applied to coherent floating potential fluctuations with geodesic acoustic wave frequency obtained in the edge plasmas on JFT-2M (2005)
  • 著者名/発表者名: Y.Nagashima, K.Itoh, S.-I.Itoh, A.Fujisawa, K.Hoshino, Y.Takase, M.Yagi, A.Ejiri, K.Ida, K.Shinohara, K.Uehara, Y.Kusama, JFT-2M group
  • 雑誌名: Plasma Phys.Contr.Fusion (印刷中)