先進ヘリカル配位のベータ効果が対称性と熱・乱流輸送に与える影響の実験的検証

2019 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 19H01875
• 研究機関: 京都大学
• 研究代表者: 小林 進二 京都大学, エネルギー理工学研究所, 准教授 (70346055)
• 研究分担者: 大島 慎介 京都大学, エネルギー理工学研究所, 助教 (00469610) ; 鈴木 康浩 核融合科学研究所, ヘリカル研究部, 准教授 (20397558) ; 仲田 資季 核融合科学研究所, ヘリカル研究部, 准教授 (40709440)
• 研究期間 (年度): 2019-04-01 – 2024-03-31
• キーワード: 先進ヘリカル配位 / ベータ効果 / 乱流揺動計測 / ポロイダル流速

研究実績の概要

磁場閉じ込め型の核融合プラズマでは経済性の観点から磁気圧力に対するプラズマ圧力の比（ベータ値）の高いプラズマでの運転が望まれる。一方でベータ値の上昇に伴って閉じ込めの劣化・不安定性の発現が予想されており、その対策が求められている。先進ヘリカル配位はベータ値の上昇にともなう反磁性効果・シャフラノフシフトによる平衡の変化をあらかじめ予測し、目標とするベータ値のプラズマにおいて輸送の改善・配位対称性の向上（ベータ効果）を期待して配位設計されているが、実験的な検証はまだされていない。本研究課題では、京都大学エネルギー理工学研究所の先進ヘリカル装置ヘリオトロンJを研究対象として、先進ヘリカル配位のベータ効果を実験的に検証することを目的とする。具体的に(1)高ベータプラズマ生成のための運転領域の拡張、(2)乱流揺動計測を目指したビーム放射分光装置の開発および、(3)高ベータプラズマにおける輸送とポロイダルフロー・径電場、乱流揺動との関連性を明らかにすることを目的とする。
現在まで、(1)高ベータプラズマ生成のために本研究で開発した予備電離手法の特徴を調べ、内在する物理の理解が進んだことで、磁場強度・加熱パワーに対する運転領域が格段に広がったこと、これにより高ベータプラズマの輸送研究に向けた環境が整備されたこと、(2)乱流揺動計測に必要とされるビーム放射分光計測の条件を洗い出し、その条件を満たすための方策を策定したこと、が挙げられる。

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31年(令和元年)度は(1)乱流揺動計測を目指したビーム放射分光装置の改良および(2)高ベータプラズマ生成のための運転シナリオ構築を行った。以下に詳細を述べる。
(1)一般的にプラズマ内部の乱流揺動強度はその平均値の0.1%程度と考えられており、微弱な揺らぎを観測するための対策が必要である。微弱光計測の際に問題となる雑音を実験的に調べたところ、検出素子に起因する熱雑音成分とビーム輝線の統計的揺らぎに起因するショット雑音成分があることがわかった。加えて乱流揺動の速度場の評価に必要な信号対雑音比を調べ、上記雑音成分と比較することで、必要とされるビーム輝線強度を評価した。これを実現するため対物光学系・干渉フィルターの透過率特性の改良を行い、検出光強度を向上させた。次年度は熱雑音対策に向けた検出素子の冷却を検討する必要がある。
(2)高ベータプラズマ生成のためには磁場強度に依らないプラズマ着火手法を開発する必要である。そこで非共鳴マイクロ波による予備電離プラズマを生成しNBI加熱に移行する手法を考案した。今年度は予備電離プラズマの特性を調べ、磁場強度を変えてもプラズマ生成位置が変化しないこと、ガス制御により最大4e18 m^-3の予備電離プラズマが生成されたこと、MeVクラスの高速電子が生成されており非共鳴マイクロ波による確率的静電加速が高速電子生成モデルとして提案されること、がわかった。この結果、磁場強度およびNBIパワーに対する運転範囲が格段に広がり、高ベータプラズマの輸送研究に向けた環境が整備された。

今後の研究の推進方策

課題解決のためには、(1)乱流揺動計測を目指したビーム放射分光装置開発の継続、(2) 高ベータプラズマ生成に向けた運転シナリオ構築、および(3)高ベータプラズマの輸送特性解明が必要である。
令和2年度は主に(1)および(2)に関して進める。具体的にビーム放射分光装置開発として(1)-1.検出素子の熱雑音低減のための冷却装置および(1)-2.周辺部密度揺動計測を目指した対物光学系を整備する。事前試験により検出素子（アバランシェフォトダイオード）を-20度以下に冷却すると熱雑音が常温時と比べて約1/10に低下する事がわかっている。一方で検出素子前面の干渉フィルターは温度変化により波長透過率が変わるため、両者の断熱が必要となる。加えて結露防止が必要となる。このため高い透過率・断熱および光路調節が可能な受光光学系と冷却装置を整備し熱雑音の低減を図る。対物光学系は対物レンズおよび真空容器内に設置するミラーで構成される。ミラーは高真空(10e-6 Pa)・強磁場(2T)環境下、およびプラズマからの熱負荷に耐性を持つ必要がある。加えて、可視光領域の高い反射率が求められる。そのためステンレス基板に誘電体多層膜を蒸着したミラーを整備する。これにより乱流揺動計測の目安となる、0.1%程度の微弱な密度揺動計測を目指す。
(2)高ベータプラズマ生成に向けた運転シナリオ構築に関しては、近年開発した非共鳴マイクロ波による予備電離手法を活用し、その後主加熱(NBI)放電に移行する放電シナリオを発展させ、磁場強度に対する運転範囲を拡張する。通常、ヘリオトロンJ放電は70 GHzの共鳴加熱を用いてプラズマを着火しているため磁場強度が1.25Tに制限されており、ECH着火との違いを調べる。

研究成果

• [国際共同研究] University of Wisconsin, Madison(米国)
  • 国名: 米国
  • 外国機関名: University of Wisconsin, Madison
• [雑誌論文] Effect of ECH/ECCD on energetic-particle-driven MHD modes in helical plasmas (2020)
  • 著者名/発表者名: Yamamoto S.、Nagasaki K.、Nagaoka K.、Varela J.、Cappa ?.、Ascas?bar E.、Castej?n F.、Fontdecaba J.M.、Garc?a-Rega?a J.M.、Gonz?lez-Jerez ?.、Ida K.、Ishizawa A.、Isobe M.、Kado S.、Kobayashi S. et al.,
  • 雑誌名: Nuclear Fusion 巻: 60 ページ: 066018～066018
  • DOI: 10.1088/1741-4326/ab7f13
  • 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, et al.
  • 雑誌名: Plasma Physics and Controlled Fusion 巻: 61 ページ: 075014～075014
  • DOI: https://doi.org/10.1088/1361-6587/ab1d40
  • 査読あり
• [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: MATOIKE Ryota, KAWAMURA Gakushi, OHSHIMA Shinsuke, KOBAYASHI Masahiro, SUZUKI Yasuhiro, NAGASAKI Kazunobu, MASUZAKI Suguru, KOBAYASHI Shinji, et al.
  • 雑誌名: Plasma and Fusion Research 巻: 14 ページ: 3403127～3403127
  • DOI: https://doi.org/10.1585/pfr.14.3403127
  • 査読あり
• [学会発表] Effect of Magnetic Configuration on Energy Confinement, Energetic Particle and Momentum Transport in NBI Plasmas of Heliotron J (2019)
  • 著者名/発表者名: S. Kobayashi, K. Nagasaki, H. Okada, A. Ishizawa, K. Nishioka, S. Ohshima, T. Minami, S. Kado, S. Yamamoto, Y. Nakamura, T. Kobayashi, K. Ida, K. Watanabe, Y. Narushima, Y. Suzuki, M. Nakata, S. Satae, S. Nishimura, M. Yoshikawa, S. Konoshima, T. Mizuuchi
  • 学会等名: 22nd International Stellarator and Heliotron Workshop 2019
  • 国際学会
• [学会発表] Recent progress of optimization study in Heliotron J (2019)
  • 著者名/発表者名: S. Kobayashi
  • 学会等名: 2nd US/Japan Workshop on “Progress on Advanced Concept Optimization and Modeling in Stellarator-Heliotrons”
  • 国際学会
• [学会発表] 乱流揺動計測のためのヘリオトロンJビーム放射分光装置の改良 (2019)
  • 著者名/発表者名: 長慎一郎, 小林進二, 小林達哉, 居田克己, 他
  • 学会等名: プラズマ・核融合学会 第36回年会
• [学会発表] ヘリオトロンJにおける高密度NBIプラズマ中のイオン温度の磁場強度依存性 (2019)
  • 著者名/発表者名: 山下裕登, 小林進二, 萬家幹人, 他
  • 学会等名: プラズマ・核融合学会 第36回年会
• [学会発表] ヘリオトロンJにおけるポロイダルフロー計測に基づく径方向電場の解析 (2019)
  • 著者名/発表者名: 萬家幹人, 小林進二, 門信一郎, 居田克己, 他
  • 学会等名: プラズマ・核融合学会 第36回年会