トーラスプラズマのHモード輸送障壁形成の定量的研究

2016 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 16H02442
• 研究機関: 核融合科学研究所
• 研究代表者: 伊藤 公孝 核融合科学研究所, ヘリカル研究部, 教授 (50176327)
• 研究分担者: 神谷 健作 国立研究開発法人量子科学技術研究開発機構, 那珂核融合研究所 先進プラズマ研究部, 上席研究員(定常) (60360426) ; 伊藤 早苗 九州大学, 応用力学研究所, 教授 (70127611)
• 研究期間 (年度): 2016-04-01 – 2021-03-31
• キーワード: プラズマ乱流 / プラズマ構造相転移 / H-モード

研究実績の概要

この研究は、先進的プラズマ乱流物理学の成果に立脚し、核融合研究の高温磁場閉じ込めプラズマのH-モードの定量的モデル構築を目的とする。代表者らが創始した径電場分岐理論に立脚し、最新のマルチスケール乱流物理学を取り入れ、H-モード理論を完備する。電場曲率の重要性や遷移の時定数など、空間・時間の双方から国内外のトカマク実験と比較し、検証を行う。H-モードの輸送障壁の形成機構や構造の定量的モデルを提示し、核融合燃焼プラズマ研究や制御のための学理基盤を構築する事を目指す。
この目的に向けて、理論研究および実験的研究を進めて大きな成果を得た。バリア構造の理論を改革し、電場曲率の重要性を定量的に示した。乱流抑制への効果に関する評価式を研究し、電場勾配および電場曲率の双方を含む形に定式化する事に成功した。この式を用いれば、乱流輸送の抑制を実験で定量的に検証出来る事を示した 。その結果を用い、JT-60Uトカマクでの詳細電場計測実験結果にもとづき、乱流輸送の抑制を実験で定量的に検証した。その結果、輸送障壁を形成するために、電場曲率が本質的な役割りを果たしている事を具体的に示した。更に、代表者らが創始した径電場分岐理論の表式をJFT-2Mトカマクでの計測データに適用し、H-mode遷移の動力学を実験で検証する事に成功した。
さらに、周辺輸送障壁の遷移モデルとコアの輸送ヒステリシスとの統合を考えた。その研究に付随して、水素同位体効果の新しい説明の研究を開始した。fuelling fuels turbulenceという着想を得た。また、この研究の一環として、運動量輸送の理論を改良した。実験解析によるcross-bispectrumの重要性を総観した。波及効果としていくつかの不安定性への適用を進めた。

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、理論や実験による確認方法等の研究が大きく進んだ。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。例を挙げると、乱流輸送の抑制を実験で定量的に検証し電場曲率が本質的な役割りを果たしている事を具体的に示したこと、また、代表者らが創始した径電場分岐理論の表式を用いH-モード遷移の動力学を実験で検証する事に成功した。これらを始め大きな成果が上がり、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

2016年度には、バリア構造の理論を開拓し、乱流輸送の抑制の検証法を構想した 。そして、遷移および乱流抑制の実験検証を進めた。計画は極めて順調に進展した。さらにコアのヒステリシスとの統合を考えた。その結果、水素同位体効果を理解する新しい手がかりを得た。そして粒子補給に伴う乱流駆動という新しい機構にかかわる新たな理論を構成した。
初年度のこれらの成果に立脚し、2017年度には、輸送障壁内の乱流輸送の研究を開拓する。大域的な過程を取り入れ、輸送障壁での乱流輸送の研究を開始する。コアプラズマで得られている輸送ヒステリシス（温度勾配と熱流束の関係式に現れるヒステリシス）を取り入れて、輸送障壁生成消滅の理論解析を試みる。輸送ヒステリシスを含む系の非線形伝播応答の理論式を多くの実験装置に適用し、非拡散的な速い応答の評価を進める。更にスケールの異なる揺動が共存する場合、多段階の遷移や、空間的に異なった位置での複数の障壁共存等、新たな時空構造が現れるとの着想を得たので、その解析を進め、実験検証の方法を検討する。こうした視点迄含め、輸送障壁構造の解析を取りまとめる。トロイダル流と粒子流束の干渉、トロイダル・ポロイダル流の干渉など、トロイダル流を含む干渉過程も考慮する研究を進める。最新乱流物理に立脚した径電流の表式をまとめ、輸送障壁構造の表式を得る。実験では、国際共同データ解析の活動を進め、リミットサイクル現象やH-モード遷移の精密観測などの解析を通じて電場分岐の駆動源を同定する研究を進める。さらに、乱流揺動の弾道的移送等の第一原理的な実験観測も詰める。大域的輸送法則を実験で検証するための基礎を作る。

研究成果

• [国際共同研究] Max-Planck Institute of Plasma Physics/Technische Univ. Munchen(ドイツ)
  • 国名: ドイツ
  • 外国機関名: Max-Planck Institute of Plasma Physics/Technische Univ. Munchen
• [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] NFRI/Pohang Univ./Ulsan NIST(韓国)
  • 国名: 韓国
  • 外国機関名: NFRI/Pohang Univ./Ulsan NIST
• [国際共同研究] SWIP(中国)
  • 国名: 中国
  • 外国機関名: SWIP
• [国際共同研究] CEA/Univ. Lorraine(France)
  • 国名: フランス
  • 外国機関名: CEA/Univ. Lorraine
• [国際共同研究]
  • 他の国数: 1
• [雑誌論文] On Width of Pedestal in the H-mode (2017)
  • 著者名/発表者名: K. Itoh, S.-I. Itoh, K. Kamiya, T. Kobayashi
  • 雑誌名: Nucl. Fusion 巻: 57 ページ: 022005
  • DOI: 0.1088/0029-5515/57/2/022005
  • 査読あり / 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: Nucl. Fusion 巻: 57 ページ: 072005
  • DOI: https://doi.org/10.1088/1741-4326/aa5d03
  • 査読あり / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Transport Hysteresis of Core Plasma and H-mode Physics (2017)
  • 著者名/発表者名: S.-I. Itoh, K. Itoh, S. Inagaki
  • 雑誌名: Nucl. Fusion 巻: 57 ページ: 022003
  • DOI: 10.1088/0029-5515/57/2/022003
  • 査読あり / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Effects of hydrogen isotope in coupling between confinement, wall material and SoL turbulence, (2017)
  • 著者名/発表者名: Kimitaka Itoh, Sanae-I; Itoh, Makoto Sasaki, Yusuke Kosuga,
  • 雑誌名: Null Fusion 巻: 57 ページ: 056031
  • DOI: https://doi.org/10.1088/1741-4326/aa65eb
  • 査読あり / 謝辞記載あり
• [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: Y. Kosuga , S.-I. Itoh , P.H. Diamond , K. Itoh , M. Lesur
  • 雑誌名: Nucl. Fusion 巻: 57 ページ: 072006
  • DOI: 10.1088/1741-4326/57/7/072006
  • 査読あり / 国際共著 / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Zonal flow generation in parallel flow shear driven turbulence (2017)
  • 著者名/発表者名: Y. Kosuga , S.-I. Itoh , K. Itoh
  • 雑誌名: Phys. Plasmas 巻: 24 ページ: 032304
  • DOI: http://dx.doi.org/10.1063/1.4978485
  • 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, S.-I. Itoh
  • 雑誌名: Nuclear Fusion 巻: 57 ページ: 036025
  • DOI: 10.1088/1741-4326/aa4eb4
• [雑誌論文] On the Application of Cross Bispectrum and Cross Bicoherence (2017)
  • 著者名/発表者名: S.-I. Itoh, K. Itoh, Y. Nagashima and Y. Kosuga
  • 雑誌名: Plasma Fus. Research 巻: 12 ページ: 1101003
  • DOI: 10.1585/pfr.12.1101003
  • 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 (2017)
  • 著者名/発表者名: C. Moon, T. Kaneko, K. Itoh, K. Ida, T. Kobayashi, S. Inagaki, S.-I. Itoh & R. Hatakeyama
  • 雑誌名: Plasma Phys. Contr. Fusion 巻: 58 ページ: 105007
  • DOI: https://doi.org/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] 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: Phys. Plasmas 巻: 24 ページ: 012511
  • DOI: http://dx.doi.org/10.1063/1.4974269
  • 査読あり / 国際共著 / 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
  • 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 Plasma (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
  • 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] 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, X. R. Duan
  • 雑誌名: Phys, Rev. Lett. 巻: 117 ページ: 145002
  • DOI: 10.1103/PhysRevLett.117.145002
  • 査読あり / 国際共著 / 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
  • DOI: 10.1063/1.4965908
  • 査読あり / 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, S.-I. Itoh
  • 雑誌名: Phys. Plasma 巻: 23 ページ: 102501
  • DOI: http://dx.doi.org/10.1063/1.4963397
  • 査読あり / 国際共著 / 謝辞記載あり
• [学会発表] 水素同位体効果と学術研究の進展 (2016)
  • 著者名/発表者名: 伊藤公孝、伊藤早苗
  • 学会等名: プラズマ核融合学会
  • 発表場所: 東北大学
  • 年月日: 2016-11-29
• [学会発表] dynamics and structure of LH transition (2016)
  • 著者名/発表者名: K. Itoh
  • 学会等名: Japan-China Joint Data Analysis Workshop
  • 発表場所: 九州大学
  • 年月日: 2016-10-24 – 2016-10-28
  • 国際学会
• [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, et al.
  • 学会等名: IAEA Fusion Energy Conference
  • 発表場所: Kyoto
  • 年月日: 2016-10-17 – 2016-10-22
  • 国際学会
• [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
  • 発表場所: 金沢大学
  • 年月日: 2016-09-15