高密度プラズマ輸送解析に向けた電子バーンスタイン放射計測に関する研究

2019 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 18H01199
• 研究機関: 京都大学
• 研究代表者: 長崎 百伸 京都大学, エネルギー理工学研究所, 教授 (20237506)
• 研究分担者: 伊神 弘恵 核融合科学研究所, ヘリカル研究部, 准教授 (10390634)
• 研究期間 (年度): 2018-04-01 – 2022-03-31
• キーワード: 電子バーンスタイン波 / 電子温度計測

研究実績の概要

高密度核融合プラズマにおけるエネルギー閉じ込めの物理機構を解明するためには、炉心領域での詳細な分布計測による輸送解析が必要不可欠である。電子サイクロトロン波を用いた従来の電磁波計測では、カットオフ密度と呼ばれる密度上限が存在するため、カットオフ密度以上のプラズマ（オーバーデンスプラズマ）での電子温度分布計測が困難となっている。近年、電子バーンスタイン波放射（EBE）計測システムを開発し、LHD、Heliotron J装置においてオーバーデンスプラズマでの有意なEBE検出に成功した。しかしながら、EBEが得られるモード変換過程は未解明のままであり、計測システムへの適用を妨げている。本研究の目的は、EBEと電磁波間のモード変換過程を実験的に明らかにするとともに、高密度エネルギー閉じ込め改善時の熱輸送解析によってEBE計測の有用性を示すことである。
令和1年度は、分布計測のため検出チャンネル数を8チャンネルから16チャンネルに向上させたEBE計測用ヘテロダイン・ラジオメータを用いて、オーバーデンスプラズマでの電子温度分布計測を行った。Heliotron Jでのプラズマ実験において、オーバーデンスプラズマ（n_e = 2x10^19 m^-3）において有意な信号の上昇が観測されており、アンテナのトロイダル角方向、ポロイダル角方向のスキャン結果から、理論で予測されるOX窓近傍において最も高い信号強度が得られた。相対感度校正を行った分布は、カットオフ密度を超えないプラズマでの電子温度とピーク位置が異なっており、高い平行屈折率の効果によるドップラーシフトが見えているものと考えられる。LHD装置においてもオーバーデンスプラズマにおいて有意な信号が得られており、装置に依らずにEBE信号が得られることが示された。

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

これまでの研究で設計・構築したEBE計測用のマルチチャンネルラジオメータをノイズソースを用いて動作確認も行い、相対感度校正データが取得できている。Heliotron J, LHD装置でのプラズマ実験への適用が可能となり、有意な信号強度が得られるとともに、理論から予測されるOX窓において最大の信号強度が得られた。また、相対感度校正から得られた電子温度分布はコア領域においてピークした分布であることやカットオフ密度以下のプラズマで得られた電子温度分布とピーク周波数が異なるといった結果が得られており、モード変換物理の理解とオーバーデンスプラズマでの電子温度分布計測に向けたデータ取得が進みつつあり、概ね順調に進展していると判断した。

今後の研究の推進方策

EBEは直接測定できないものの、3次元磁場構造を考慮に入れたレイトレーシング計算コード及びfull wave codeを用いることで放射・変換過程についての理論的な特定を行うことが可能である。実験におけるXOモード変換については、これまでの研究により加熱・電流駆動用アンテナ系を活用することでモード変換「窓」位置を特定できたので、今後は理論との比較を行ってゆく。 また、実験での磁場強度制御によるEBE周波数スペクトルの変化から、共鳴放射のドップラーシフト効果、衝突減衰による非共鳴放射について解析する。
Heliotron J装置では、高強度ガスパフ粒子補給によりH-mode遷移といったエネルギー閉じ込め改善が観測されている。高密度領域における電子温度分布をEBEを用いて計測し、熱輸送解析からエネルギー閉じ込め特性と局所輸送との関連性を調べる。特に、周辺領域への粒子補給の効果が如何にコアプラズマへと伝搬してゆくのか、非拡散現象も視野に入れつつ、ラジオメータシステムの長所である高時間分解能（1μsec）を利用して径方向輸送を解析する。LHD装置への適用も進め、オーバーデンスプラズマでの電子温度分布計測を行う。

研究成果

• [国際共同研究] Max Planck Institute for Plasma Physics(ドイツ)
  • 国名: ドイツ
  • 外国機関名: Max Planck Institute for Plasma Physics
• [国際共同研究] CIEMAT(スペイン)
  • 国名: スペイン
  • 外国機関名: CIEMAT
• [国際共同研究] Eindhoven University of Technology(オランダ)
  • 国名: オランダ
  • 外国機関名: Eindhoven University of Technology
• [国際共同研究] Zhejiang University/Southwestern Institute of Physics/Southwest Jaotong University(中国)
  • 国名: 中国
  • 外国機関名: Zhejiang University/Southwestern Institute of Physics/Southwest Jaotong University
• [雑誌論文] Reformation of the Electron Internal Transport Barrier with the Appearance of a Magnetic Island (2020)
  • 著者名/発表者名: N. Kenmochi, T. Minami, T. Mizuuchi, C. Takahashi, G. M. Weir, K. Nishioka, S. Kobayashi, Y. Nakamura, H. Okada, S. Kado, S. Yamamoto, S. Ohshima, S. Konoshima, Y. Ohtani and K. Nagasaki
  • 雑誌名: Scientific Reports 巻: 10 ページ: 5
  • DOI: 10.1038/s41598-019-56492-x
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Measurement of stray millimeter-wave radiation from a 70-GHz ECH/ECCD system in Heliotron J (2019)
  • 著者名/発表者名: K. Nagasaki, S. Watanabe, K. Sakamoto, A. Isayama, H. Okada, T. Minami, S. Kado, S. Kobayashi, S. Yamamoto, S. Ohshima, S. Konoshima, T. Mizuuchi, Y. Nakamura, A. Ishizawa, S. Kubo, H. Igami, G. Weir, N. Marushchenko
  • 雑誌名: Fusion Engineering and Design 巻: 144 ページ: 40-45
  • DOI: https://doi.org/10.1016/j.fusengdes.2019.04.051
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] First Application of 3D Peripheral Plasma Transport Code EMC3-EIRENE to Heliotron J (2019)
  • 著者名/発表者名: Ryota MATOIKE, Gakushi KAWAMURA, Shinsuke OHSHIMA, Masahiro KOBAYASHI, Yasuhiro SUZUKI, Kazunobu NAGASAKI, Suguru MASUZAKI, Shinji KOBAYASHI, Satoshi YAMAMOTO, Shinichiro KADO, Takashi MINAMI, Hiroyuki OKADA, Shigeru KONOSHIMA, Toru MIZUUCHI, Hirohiko TANAKA, Hiroto MATSUURA, Yuhe FENG and Heinke FRERICHS
  • 雑誌名: Plasma and Fusion Research 巻: 14 ページ: 3403127
  • DOI: 10.1585/pfr.14.3403127
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] High-density experiments with hydrogen ice pellet injection and analysis of pellet penetration depth in Heliotron J (2019)
  • 著者名/発表者名: G Motojima, H Okada, H Okazaki, S Kobayashi, K Nagasaki, R Sakamoto, , H Yamada, S Kado, S Ohshima, T Minami, N Kenmochi, Y Ohtani, Y Nozaki, Y Yonemura, Y Nakamura, S Konoshima, S. Yamamoto, T Mizuuchi and K Y Watanabe
  • 雑誌名: Plasma Physics and Controlled Fusion 巻: 61 ページ: 075014
  • DOI: https: // doi.org / 10.1088 / 1361-6587 / ab1d40
  • 査読あり
• [雑誌論文] Development of a correlation ECE radiometer for electron temperature fluctuation measurements in Heliotron J (2019)
  • 著者名/発表者名: Gavin M. Weir, Kazunobu Nagasaki, Jinxiang Zhu, Maoyuan Luo, Hiroyuki Okada, Takashi Minami, Shinichiro Kado, Shinji Kobayashi, Satoshi Yamamoto, Shinsuke Ohshima, Shigeru Konoshima, Yuji Nakamura, Akihiro Ishizawa, Xiang-xun Lu, Linge Zang, Nikolai Marushchenko, Yasuo Yoshimura and Tohru Mizuuchi
  • 雑誌名: EPJ Web of Conferences 巻: 203 ページ: 03013
  • DOI: https://doi.org/10.1051/epjconf/201920303013
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [学会発表] Response of Plasma Performance to Magnetic Configuration, Fuelling and Heating/Current Drive in Heliotron J (2019)
  • 著者名/発表者名: K. Nagasaki
  • 学会等名: 22nd International Stellarator and Heliotron Workshop 2019
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Recent Experimental Results from the Heliotron J Helical Device (2019)
  • 著者名/発表者名: K. Nagasaki
  • 学会等名: Post-CUP Workshop & JSPS-CAS Bilateral Joint Research Projects Workshop
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Energetic-particle-driven MHD Instabilities and Their Control by ECH/ECCD in Helical Plasmas (2019)
  • 著者名/発表者名: K. Nagasaki, S. Yamamoto, K. Nagaoka, J. Varela, A. Cappa, E. Ascasibar, F. Castejon, A. Ishizawa, M. Isobe, S. Kado, S. Kobayashi, N. Marushchenko, A. Melnikov, T. Minami, T. Mizuuchi, Y. Nakamura, K. Ogawa, S. Ohshima, H. Okada, M. Osakabe, and G.M. Weir
  • 学会等名: 46th European Physical Society Conference on Plasma Physics (EPS 2019)
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Control of Energetic Particle Driven Instabilities by ECH/ECCD in Helical Systems (2019)
  • 著者名/発表者名: K. Nagasaki, S. Yamamoto, K. Nagaoka, J. Varela, A. Cappa, E. Ascasibar, F. Castejon, A. Ishizawa, M. Isobe, S. Kado, S. Kobayashi, N. Maruchchenko, A. Melnikov, T. Minami, T. Mizuuchi, Y. Nakamura, K. Ogawa, S. Ohshima, H. Okada, M. Osakabe, and G.M. Weir
  • 学会等名: 2nd US/Japan Workshop on “Progress on Advanced Concept Optimization and Modeling in Stellarator-Heliotrons”
• [備考] 京都大学エネルギー理工学研究所プラズマエネルギー研究分野長﨑研究室
  • URL: http://www.iae.kyoto-u.ac.jp/plasma/index_j.html