タングステンの輸送研究と密度計測のための電離・再結合・放射係数の定量評価

2017 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 16H04088
• 研究機関: 核融合科学研究所
• 研究代表者: 森田 繁 核融合科学研究所, ヘリカル研究部, 教授 (80174423)
• 研究分担者: 大石 鉄太郎 核融合科学研究所, ヘリカル研究部, 助教 (80442523)
• 研究期間 (年度): 2016-04-01 – 2021-03-31
• キーワード: プラズマ核融合 / タングステン / プラズマ分光 / EUV分光 / 疑似連続光 / 放射損失 / 電離・再結合 / 原子物理

研究実績の概要

平成29年3ー6月の4か月の間，LHDでは重水素実験が行われた．制御機器について中性子やγ線の遮蔽対策施したが，EUV分光器やそれに付随しているCCD検出器については種々の技術的事情により遮蔽対策の実施が難しく，中性子照射による機器や電気回路の損傷を恐れていたが，4か月間の重水素実験を経てCCD検出器を含め機器動作に基本的な問題がないことが判明した．これは本研究を遂行していく上で，大きな朗報となった．地下へ移転した制御機器の一部PLCについては問題が数回発生したため，平成29年度に追加の遮蔽対策を実施した．また，不純物ペレット入射装置も重水素実験の間，順調に稼働し，成功裏にタングステンペレットが入射でき，予定していたタングステンスペクトルの観測を実施した．この結果，タングステンのUTAと呼ばれる疑似連続光の空間分布のみならず，低電離タングステンスペクトルや可視域禁制線（例えば磁気双極子禁制線）の観測に成功した．UTAスペクトルの詳細な分析の結果，数か所の波長位置でW24+（32.28-32.39Å），W25+（31.14-31.25Å），W26+（29.91-30.02Å）イオンの解析が可能であることが分かった．また，分光器の絶対感度較正，空間分布の磁気面座標への再構成，独自開発したCRモデルやADASコードによる放射強度計算を行い，上記タングステンイオン密度算出への見通しが確かなものとなった．
中国・ASIPPのタングステンダイバータ・EASTトカマクで，平成28年度に空間分布計測用EUV分光器の設置を完了した．平成29年度は，NBIによるHモード放電中にタングステンスペクトルとその空間分布データを首尾よく得ることに成功した．共同でデータ解析を行い，Hモード中に発生するタングステン不純物蓄積抑制へのLHW効果を確認した．

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29年3ー6月の4か月の間，LHDでは重水素実験が行われた．制御機器について中性子やγ線の遮蔽対策施したが，EUV分光器やそれに付随しているCCD検出器については種々の技術的事情により遮蔽対策の実施が難しく，中性子照射による機器や電気回路の損傷を恐れていたが，4か月間の重水素実験を経てCCD検出器を含め機器動作に基本的な問題がないことが判明した．これは本研究を遂行していく上で，大きな朗報となった．地下へ移転した制御機器の一部PLCについては問題が数回発生したため，平成29年度に追加の遮蔽対策を実施した．また，不純物ペレット入射装置も重水素実験の間，順調に稼働し，成功裏にタングステンペレットが入射でき，予定していたタングステンスペクトルの観測を実施した．この結果，タングステンのUTAと呼ばれる疑似連続光の空間分布のみならず，低電離タングステンスペクトルや可視域禁制線（例えば磁気双極子禁制線）の観測に成功した．UTAスペクトルの詳細な分析の結果，数か所の波長位置でW24+（32.28-32.39Å），W25+（31.14-31.25Å），W26+（29.91-30.02Å）イオンの解析が可能であることが分かった．また，分光器の絶対感度較正，空間分布の磁気面座標への再構成，独自開発したCRモデルやADASコードによる放射強度計算を行い，上記タングステンイオン密度算出への見通しが確かなものとなった．
中国・ASIPPのタングステンダイバータ・EASTトカマクで，平成28年度に空間分布計測用EUV分光器の設置を完了した．平成29年度は，NBIによるHモード放電中にタングステンスペクトルとその空間分布データを首尾よく得ることに成功した．共同でデータ解析を行い，Hモード中に発生するタングステン不純物蓄積抑制へのLHW効果を確認した．

今後の研究の推進方策

平成28年度は主に重水素実験に向けて装置改良に力を注いだ．その結果，平成29年度には重水素放電で支障なくタングステンペレットを不純物ペレット入射装置で入射でき，タングステンスペクトルが首尾よく観測できた．10-500Å領域のタングステンスペクトルと20-50Å付近のUTAスペクトルを空間分布も含めて詳細に解析し，低価数スペクトル線と単一イオン価数で構成されるUTAスペクトル波長位置を発見した（結果を論文誌に公表）．CCD検出器の中性子影響についても研究を行った（結果はRSI誌に投稿中）．平成30年度は，UTAスペクトルからイオン密度を求めるための放射強度計算の精度を上げ，複数のコードで比較することにより，放射強度計算結果の誤差評価を行う．その後イオン密度評価を行い，ここで開発した手法がITERの周辺プラズマでのタングステン診断に応用できることを実証する．また，10-500Åに位置する全てのタングステンスペクトル強度を積分し，ペレットで入射したタングステン個数と電子温度・密度からタングステンの放射冷却係数を評価する．平成31年以降には，LHDで取得したデータを基に，タングステンの電離・再結合係数を再評価しつつ，不純物輸送研究に応用する．
中国・合肥・ASIPPのEASTトカマクでは，空間分布計測を本格化させ，LHD実験で得られた上記の結果や知見を基に，Hモード放電等において，タングステンイオン密度評価や放射冷却係数からの放射損失評価を実施する．EASTでは平成31年度に下側ダイバータにもタングステンが装着される予定になっており，完全金属装置でのタングステン輸送研究を本格化させる．また，成都・SWIPのHL-2Aトカマクでの低電離タングステン（特にW6+）の定量評価も進め，LHD実験での成果と併せ，ITER実験への貢献を目指す．

研究成果

• [国際共同研究] Institute of Plasma Physics/Southwestern Institute of Physics(China)
  • 国名: 中国
  • 外国機関名: Institute of Plasma Physics/Southwestern Institute of Physics
• [雑誌論文] Observation of carbon impurity flow in the edge stochastic magnetic field layer of Large Helical Device and its impact on the edge impurity control (2018)
  • 著者名/発表者名: T. Oishi, S. Morita, S. Y. Dai, M. Kobayashi, G. Kawamura, X. L. Huang, H. M. Zhang, Y. Liu, M. Goto
  • 雑誌名: Nuclear Fusion 巻: 58 ページ: 016040-1-10
  • DOI: https://doi.org/10.1088/1741-4326/aa8f63
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Investigation of impurity confinement in lower hybrid wave heated plasma on EAST tokamak (2018)
  • 著者名/発表者名: Z. Xu, Z.W. Wu, L. Zhang, W. Gao, Y. Ye, K.Y. Chen, Y. Yuan, W. Zhang, X.D. Yang, Y.J. Chen, P.F. Zhang, J. Huang, C.R. Wu , S. Morita, T. Oishi, J.Z. Zhang, Y.M. Duan, Q. Zang, S.Y. Ding , H.Q. Liu, J.L. Chen, L.Q. Hu, G.S. Xu, H.Y. Guo
  • 雑誌名: Nuclear Fusion 巻: 58 ページ: 016001-1-10
  • DOI: https://doi.org/10.1088/1741-4326/aa8e06
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Observation of Tungsten Line Emissions inWavelength Range of 10 - 500Å in Large Helical Device (2018)
  • 著者名/発表者名: Y. Liu, S. Morita, T. Oishi, M. Goto, X.L. Huang
  • 雑誌名: Plasma and Fusion Research 巻: 13 ページ: 3402020-1-6
  • DOI: 10.1585/pfr.13.3402020
  • 査読あり
• [雑誌論文] Study of impurity transport in HL-2A ECRH L-mode plasmas with radially different ECRH power depositions (2018)
  • 著者名/発表者名: Z.Y. Cui, K. Zhang, S. Morita, X.Q. Ji, X.T. Ding, Y. Xu, P. Sun, J.M. Gao, C.F. Dong, D.L. Zheng, Y.G. Li, M. Jiang, D. Li, W.L. Zhong, Yi Liu, Y. B. Dong, S.D. Song, L.M. Yu, Z.B. Shi, B.Z Fu, P. Lu, M. Huang, B.S. Yuan, Q.W. Yang, X.R. Duan
  • 雑誌名: Nuclear Fusion 巻: 58 ページ: 印刷中
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Preliminary result of cross-field impurity transport study in stochastic magnetic field layer of LHD (2018)
  • 著者名/発表者名: S. Morita, H.M. Zhang, S.Y. Dai, T. Oishi, M. Goto, X.L. Huang, Y. Liu
  • 雑誌名: Proceeding of A3 Foresight Program Seminar at Jeju (Korea), 22-25 November 2016, NIFS-Proc-108 巻: 108 ページ: 057-060
  • 国際共著
• [雑誌論文] Impact of impurity flow on the impurity transport in the edge stochastic magnetic field layer of LHD (2018)
  • 著者名/発表者名: T. Oishi, S. Morita, S. Y. Dai, M. Kobayashi, G. Kawamura, X. L. Huang, Y. Liu, M. Goto
  • 雑誌名: Proceeding of A3 Foresight Program Seminar at Jeju (Korea), 22-25 November 2016, NIFS-Proc-108 巻: 108 ページ: 061-064
  • 国際共著
• [雑誌論文] Suppression of tungsten accumulation during ELMy H-mode by lower hybrid wave heating in the EAST tokamak (2017)
  • 著者名/発表者名: L. Zhang, S. Morita, Z. Xu, P. F. Zhang, T. Ohishi, W. Gao, J. Huang, X. D. Yang, Y. J. Chen, Z. W. Wu, F. Ding, Y. M. Duan, H. L. Zhao, Q. Zang. H. Q. Liu, P. Xu, X. Z. Gong, J. L. Chen and L. Q. Hu
  • 雑誌名: Nuclear Materials and Energy 巻: 12 ページ: 774-778
  • DOI: http://dx.doi.org/10.1016/j.nme.2017.01.009
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Overview of recent HL-2A experiments (2017)
  • 著者名/発表者名: X.R. Duan, Yi Liu, M. Xu, L.W. Yan, Y. Xu, X.M. Song, J.Q. Dong, X.T. Ding, L.Y. Chen, S. Morita et al.
  • 雑誌名: Nuclear Fusion 巻: 57 ページ: 102013-1-11
  • DOI: https://doi.org/10.1088/1741-4326/aa6a72
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Experimental evaluation of fractional abundance data for W23+-W28+ (2017)
  • 著者名/発表者名: K.Fujii, D.Kato, N.Nakamura, M.Goto, S.Morita and M.Hasuo
  • 雑誌名: Journal of Physics B 巻: 50 ページ: 055004-1-11
  • DOI: https://doi.org/10.1088/1361-6455/50/5/055004
  • 査読あり
• [雑誌論文] Vertical profiles and two-dimensional distributions of carbon line emissions from C2+-C5+ ions in attached and RMP-assisted detached plasmas of large helical device (2017)
  • 著者名/発表者名: Hongming Zhang, Shigeru Morita, Shuyu Dai, Tetsutarou Oishi, Motoshi Goto, Xianli Huang, Gakushi Kawamura, Masahiro Kobayashi, Yang Liu, Izumi Murakami, Yoshiro Narushima
  • 雑誌名: Physics of Plasmas 巻: 24 ページ: 022510-1-18
  • DOI: http://dx.doi.org/10.1063/1.4976989
  • 査読あり
• [雑誌論文] Component investigation of ionization stages on tungsten unresolved transition array spectra for plasma diagnostics based on space-resolved extreme-ultra violet spectroscopy in large helical device (2017)
  • 著者名/発表者名: Yang Liu, Shigeru Morita, Xianli Huang, Tetsutarou Oishi, Motoshi Goto and Hongming Zhang
  • 雑誌名: Journal of Applied Physics 巻: 122 ページ: 233301-1-13
  • DOI: https://doi.org/10.1063/1.5003447
  • 査読あり
• [雑誌論文] Formation of impurity transport barrier in LHD plasmas with hollow density profile (2017)
  • 著者名/発表者名: X.L. Huang, S. Morita, T. Oishi, I. Murakami, M. Goto, H.M. Zhang, Y. Liu
  • 雑誌名: Nuclear Fusion 巻: 57 ページ: 086031-1-6
  • DOI: https://doi.org/10.1088/1741-4326/aa7920
  • 査読あり
• [雑誌論文] Effect of impurity source locations on up-down asymmetry in impurity distributions in the ergodic layer of large helical device (2017)
  • 著者名/発表者名: Tetsutarou Oishi, Shigeru Morita, Xianli Huang, Hongming Zhang, Yang Liu, Shuyu Dai, Masahiro Kobayashi, Gakushi Kawamura, Motoshi Goto
  • 雑誌名: Nuclear Materials and Energy 巻: 12 ページ: 762-767
  • DOI: http://dx.doi.org/10.1016/j.nme.2017.04.002
  • 査読あり
• [雑誌論文] 2D distribution of hydrogen/impurity radiation and flow formation in stochastic layer during detachment transition in LHD (2017)
  • 著者名/発表者名: M. Kobayashi, S. Morita and M. Goto
  • 雑誌名: Nuclear Materials and Energy 巻: 12 ページ: 1043-1048
  • DOI: http://dx.doi.org/10.1016/j.nme.2016.12.023
  • 査読あり
• [雑誌論文] Space-resolved visible spectroscopy for two-dimensional measurement of hydrogen and impurity emission spectra and of plasma flow in the edge stochastic layer of LHD (2017)
  • 著者名/発表者名: M. Kobayashi, S. Morita and M. Goto
  • 雑誌名: Review of Scientific Instruments 巻: 88 ページ: 033501-1-12
  • DOI: http://dx.doi.org/10.1063/1.4976963
  • 査読あり
• [学会発表] LHDにおける不純物輸送への外部印加1/1磁気島の効果 (2018)
  • 著者名/発表者名: 森田繁，劉洋，大石鉄太郎, 後藤基志，張洪明, 黄賢礼
  • 学会等名: 日本物理学会
• [学会発表] 27-34ÅにおけるUTAスペクトルを用いたLHDにおけるタングステンイオン密度の評価 (2018)
  • 著者名/発表者名: 劉洋，森田繁，大石鉄太郎, 村上泉，後藤基志，黄賢礼
  • 学会等名: 日本物理学会
• [学会発表] LHDの周辺部統計的磁場領域における炭素不純物フローの不純物輸送への影響 (2018)
  • 著者名/発表者名: 大石鉄太郎，森田繁，戴舒宇，小林政弘，河村学思，劉洋，後藤基志
  • 学会等名: 日本物理学会
• [学会発表] 再結合プラズマのためのタングステンイオン衝突輻射モデルの拡張II (2018)
  • 著者名/発表者名: 村上泉，佐々木明，加藤太治
  • 学会等名: 日本物理学会
• [学会発表] VUV, EUV and X-ray spectroscopy in the Large Helical Device (2017)
  • 著者名/発表者名: Shigeru MORITA, Tetsutaro OISHI, Motoshi GOTO, Xianli HUANG, Yang LIU, Izumi MURAKAMI, Kato DAIJI, Hiroyuki SAKAUE
  • 学会等名: International Conference on Research and Applications of Plasmas
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Fusion research and international collaboration in Asian region (2017)
  • 著者名/発表者名: S.Morita, L.Q.Hu, Y.K.Oh, M.Xu, D.Raju, Y.Kamada, N.Ashikawa, M.Isobe, D.Kato, Y.Kishimoto, S.Ohdachi, S.Sakakibara, Y.Todo
  • 学会等名: The 11th Asia Plasma and Fusion Association Conference & The 26th International Toki Conference
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Determination of tungsten ion density in Large Helical Device using unresolved transition array at 27-34Å (2017)
  • 著者名/発表者名: Y. Liu, S. Morita, T. Oishi, I. Murakami, M. Goto, X.L. Huang, H.M. Zhang
  • 学会等名: International Conference on Research and Applications of Plasmas
  • 国際学会
• [学会発表] Analysis of tungsten transport in core plasmas of LHD based on space-resolved EUV spectroscopy (2017)
  • 著者名/発表者名: Xianli Huang, Shigeru Morita, Tetsutarou Oishi, Motoshi Goto, Yang Liu
  • 学会等名: International Conference on Research and Applications of Plasmas
  • 国際学会
• [学会発表] Observation of tungsten line emissions in wavelength range of 10-500 Å in the Large Helical Device (2017)
  • 著者名/発表者名: Y. Liu, S. Morita, T. Oishi, M. Goto, X.L. Huang
  • 学会等名: The 11th Asia Plasma and Fusion Association Conference & The 26th International Toki Conference
  • 国際学会
• [学会発表] Response of plasmas to tungsten pellet injection in neutral beam heated discharges in Large Helical Device (2017)
  • 著者名/発表者名: Tetsutarou OISHI, Shigeru MORITA, Xianli HUANG, Yang LIU, Motoshi GOTO
  • 学会等名: The 11th Asia Plasma and Fusion Association Conference & The 26th International Toki Conference
  • 国際学会
• [学会発表] Tungsten control in long pulse H-mode discharge on EAST (2017)
  • 著者名/発表者名: L. Zhang, J. Huang, S. Morita, X.Z. Gong, J.P. Qian, Z. Xu, C.R. Wu, X.D. Yang, Y.M. Duan, F. Ding, Z. Sun, Y.W. Sun, X.J. Wang, Z.W. Wu, J.L. Chen, L.Q. Hu, X.D. Zhang
  • 学会等名: 59th American Physical Society Division of Plasma Physics Conference
  • 国際学会
• [学会発表] Experimental approaches to control the tungsten accumulation in long-pulse H-mode discharges in the EAST tokamak (2017)
  • 著者名/発表者名: L. Zhang, S. Morita, X.Z. Gong, Z. Xu, X.D. Yang, Y.W. Sun, Y.M. Duan, Z. Sun, J. Huang, L. Wang, F. Ding, Q. Zang, H.Q. Liu, Y. Liu, G.S. Xu, Z.W. Wu, J.L. Chen, L.Q. Hu, Y.F. Liang, X.D. Zhang
  • 学会等名: The 11th Asia Plasma and Fusion Association Conference & The 26th International Toki Conference
  • 国際学会
• [学会発表] Island formation in stochastic magnetic field layer during RMP-triggered detached plasmas of LHD (2017)
  • 著者名/発表者名: S. Morita, H.M. Zhang, T. Oishi, X.L. Huang, Y. Liu, M. Goto
  • 学会等名: 11th A3 Foresight Program Seminar
  • 国際学会
• [学会発表] Dependence of carbon impurity flow in the edge stochastic magnetic field layer of LHD on the magnetic field configuration (2017)
  • 著者名/発表者名: T. Oishi, S. Morita, S.Y. Dai, M. Kobayashi, G. Kawamura, X.L. Huang, Y. Liu, M. Goto
  • 学会等名: 11th A3 Foresight Program Seminar
  • 国際学会
• [学会発表] Determination of tungsten ion density in LHD using unresolved transition array at 27-34 Å (2017)
  • 著者名/発表者名: Y. Liu, S.,Morita, T.,Oishi, I.,Murakami, M.,Goto, X.L.,Huang, H.M.,Zhang
  • 学会等名: 11th A3 Foresight Program Seminar
  • 国際学会
• [学会発表] Analysis of impurity transport at different magnetic configurations in LHD based on impurity pellet injection and space-resolved EUV spectroscopy (2017)
  • 著者名/発表者名: X.L. Huang, S. Morita, T. Oishi, M. Goto, Y. Liu
  • 学会等名: 11th A3 Foresight Program Seminar
  • 国際学会
• [学会発表] Ion fractional abundance measurements of highly charged Wq+ ions based on visible M1 lines (2017)
  • 著者名/発表者名: D. Kato, M. Goto, T. Oishi, S. Morita, H.A. Sakaue, I. Murakami, N. Nakamura, K. Fujii, X.-B. Ding, C.-Z. Don
  • 学会等名: 11th A3 Foresight Program Seminar
  • 国際学会
• [学会発表] Study of impurity transport in the HL-2A ECRH L-mode plasmas with radically different ECRH power depositions (2017)
  • 著者名/発表者名: Z.Y. Cui, K. Zhang, S. Morita, X.Q. Ji, Y. Xu, X.T. Ding, P. Sun, J.M. Gao, C.F. Dong, D.L. Zheng, Y.G. Li, M. Jiang, D. Li, S.D. Song, L.M. Yu, W.L. Zhong, Z.B. Shi, B.Z. Fu, P. Lu, M. Huang, B.S. Yuan, Yi Liu, Q.W. Yang
  • 学会等名: 11th A3 Foresight Program Seminar
  • 国際学会
• [学会発表] Summary abstract of presentation at 11th APFA & 26th ITC entitled fusion research and international collaboration in Asian region (2017)
  • 著者名/発表者名: S. Morita
  • 学会等名: 12th A3 Foresight Program Seminar
  • 国際学会
• [学会発表] Spectroscopic study of carbon impurity flow in the edge stochastic magnetic field layer of Large Helical Device (2017)
  • 著者名/発表者名: T. Oishi, S. Morita, S.Y. Dai, M. Kobayashi, G. Kawamura, Y. Liu, M. Goto
  • 学会等名: 12th A3 Foresight Program Seminar
  • 国際学会
• [学会発表] Neutron and gamma-ray effects on charge-coupled device during deuterium discharges in Large Helical Device (2017)
  • 著者名/発表者名: Y. Liu, S. Morita, T. Oishi, M. Goto, X.L. Huang
  • 学会等名: 12th A3 Foresight Program Seminar
  • 国際学会
• [学会発表] Progress in impurity study based on EVU spectrometers in HL-2A (2017)
  • 著者名/発表者名: Chunfeng Dong, Zhengying Cui, Shigeru Morita, Ping Sun, Kai Zhang, Lei Feng, Dianlin Zheng
  • 学会等名: 12th A3 Foresight Program Seminar
  • 国際学会
• [学会発表] Tungsten control in long-pulse H-mode discharges in EAST tokamak (2017)
  • 著者名/発表者名: L. Zhang, S. Morita, Z. Xu, X.D. Yang, X.Z. Gong, Y.M. Duan, Y. Yuan, Z. Sun, F. Ding, J. Huang, Y.W. Sun, T.Ohishi, Z.W. Wu, L.Q. Hu, G.S. Xu, X.D. Zhang
  • 学会等名: 12th A3 Foresight Program Seminar
  • 国際学会