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

2021 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

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、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。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、高密度プラズマでのEBE計測の有用性を示すことである。
開発した16チャンネルKa-バンドラジオメータを用いて、ヘリオトロンJ及びLHDにおいて、カットオフ密度を超えるオーバーデンスプラズマでECE信号の上昇を確認できた。BXOモード変換を計測するためのアンテナ視線方向の条件（OX窓）については、アンテナ視線方向をトロイダル方向、ポロイダル方向にスキャンしたところ、アンテナ視線方向をOX窓に向けたときにECE強度が最大となった。多重反射成分を除いた周波数スペクトルでは、32.5GHzでピークを持つ周波数スペクトルが得られた。磁場強度を変えたときのECE周波数スペクトルでは、BXOモード変換由来と考えられるECE周波数スペクトルが得られた。磁場強度の増加に伴う周波数スペクトルの増加傾向が見られており、共鳴磁場の位置変化に合わせて周波数がシフトしていることを示唆している。
LHDにおいても、高ベータ実験でのカットオフ密度を超えるプラズマにおいて、磁場強度1Tと0.75Tの2つの条件でBXOモード変換由来のECEを観測した。1Tの場合は37.5GHz、0.75Tの場合は36.5GHzで周波数スペクトルのピークとなった。磁気軸の磁場強度が1Tであるとすると、磁気軸でのEC共鳴周波数は28GHz、0.75Tの場合は21GHzとなるため、強いドップラーシフトが起きていることを示す結果が得られている。

現在までの達成度 (段落)

令和3年度が最終年度であるため、記入しない。

今後の研究の推進方策

令和3年度が最終年度であるため、記入しない。

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
• [雑誌論文] Numerical analysis of heat load distribution in Heliotron J with magnetic field tracing and plasma transport modeling (2021)
  • 著者名/発表者名: R Matoike, G. Kawamura, S. Ohshima, Y. Suzuki, M. Kobayashi, S. Masuzaki, S. Kobayashi, S. Kado, T. Minami, H. Okada, T. Mizuuchi, S. Konoshima, Y. Feng, H. Frerichs, K. Nagasaki
  • 雑誌名: Plasma Phys. Control. Fusion 巻: 63 ページ: 115002
  • DOI: 10.1088/1361-6587/ac2069
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Numerical investigation into the peripheral energetic-particle-driven MHD modes in Heliotron J with free boundary hybrid simulation (2021)
  • 著者名/発表者名: P. Adulsiriswad, Y. Todo, S. Kado, S. Yamamoto, S. Kobayashi, S. Ohshima, H. Okada, T. Minami, Y. Nakamura, A. Ishizawa, S. Konoshima, T. Mizuuchi and K. Nagasaki
  • 雑誌名: Nucl. Fusion 巻: 61 ページ: 116065
  • DOI: 10.1088/1741-4326/ac2779
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Isotope effect on zonal flow and its configuration dependence in low-density electron-cyclotron-resonance heated plasmas in Heliotron J (2021)
  • 著者名/発表者名: S. Ohshima, H. Okada, L. Zang, S. Kobayashi, T. Minami, S. Kado, P. Adulsiriswad, D. Qiu, R. Matoike, M. Luo, P. Zhang
  • 雑誌名: Plasma Phys. Control. Fusion 巻: 63 ページ: 104002
  • DOI: 10.1088/1361-6587/ac1837
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Role of pre-ionization in NBI plasma start-up of Heliotron J using non-resonant microwave heating (2021)
  • 著者名/発表者名: S. Kobayashi, K. Nagasaki, K. Hada, T. Stange, H. Okada, T. Minami, S. Kado, S. Ohshima, K. Tokuhara, Y. Nakamura
  • 雑誌名: Nucl. Fusion 巻: 61 ページ: 116009
  • DOI: 10.1088/1741-4326/ac2105
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Development of a multi-channel 320 GHz interferometer for high density plasma measurement in Heliotron J (2021)
  • 著者名/発表者名: S. Ohshima, P. Zhang, H. Kume, C. Deng, A. Miyashita, S. Kobayashi, H. Okada, T. Minami, S. Kado, P. Adulsiriswad, D. Qiu, M. Luo, R. Matoike, T. Suzuki, S. Konoshima, T. Mizuuchi, and K. Nagasaki
  • 雑誌名: Review of Scientific Instruments 巻: 92 ページ: 053519
  • DOI: 10.1063/5.0043581
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [学会発表] Physics Study Using 3-D Magnetic Configuration Flexibility in Heliotron J (2021)
  • 著者名/発表者名: K. Nagasaki
  • 学会等名: 30th Int. Toki Conference
  • 国際学会
• [学会発表] Electron Temperature Measurement Using Electron Bernstein Emission in Heliotron J (2021)
  • 著者名/発表者名: K. Nagasaki
  • 学会等名: 47th EPS Conference on Plasma Physics
  • 国際学会
• [学会発表] Effect of Magnetic Configuration on Energy Confinement and Energetic-Particle-Driven MHD Modes in Heliotron J (2021)
  • 著者名/発表者名: K. Nagasaki, S. Ohshima, P. Adulsiriswad, Y. Yamanaka, S. Murata, T. Minami, S. Kado, S. Kobayashi, S. Konoshima, T. Mizuuchi, H. Okada, Y. Kishimoto, Y. Nakamura, A. Ishizawa, D. Qiu, M. Luo, A. Iwata, P. Zhang, C. Wang, M. Miyoshi, Y. Kondo, Y. Todo, S. Yamamoto, A. Cappa, N. Marushchenko, J. Proll, N. Smith
  • 学会等名: 28th IAEA Fusion Energy Conference
  • 国際学会
• [学会発表] Theoretical analysis of the ECH effect on the energetic particle driven modes stability in Heliotron J (2021)
  • 著者名/発表者名: J. Varela, K. Nagasaki, K. Nagaoka, S. Yamamoto, D. Spong, L. Garcia, A. Cappa, and K.Y. Watanabe
  • 学会等名: 47th EPS Conference on Plasma Physics
  • 国際学会
• [学会発表] LHD 低磁場放電における電子バーンシュタイン波放射計測 (2021)
  • 著者名/発表者名: 伊神弘恵，長﨑百伸，加藤 悠，福山 淳，下妻 隆，吉村泰夫，西浦正樹，高橋裕己，辻村 享，釼持尚輝，矢内亮馬
  • 学会等名: プラズマ・核融合学会第38回年会
• [学会発表] Heliotron J における B-X-O モード変換を用いた電子バーンシュタイン放射計測 (2021)
  • 著者名/発表者名: 加藤悠，長﨑百伸，伊神弘恵，岡佑旗，小林進二，大島慎介，門信一郎，南貴司，中村祐司，石澤明宏，木島滋，水内亨，岡田浩之，的池遼太
  • 学会等名: 日本物理学会2021年秋季大会