研究課題
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）を高くした、高ベータプラズマでの運転が望ましい。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。本研究課題では、先進ヘリカル配位におけるベータ効果を実験的に検証する事を目的とする。具体的に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、(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径電場、乱流揺動との関連性を明らかにすることを実施する。現在まで、下記2点の成果が得られた。(1)高ベータプラズマ生成のために予備電離手法を開発し、シミュレーションと実測を比較することで、特に予備電離プラズマがある場合のNBIプラズマ着火に至るまでの物理メカニズムが明らかになった。この手法を利用することで磁場強度によらないプラズマ着火が可能となり、高ベータプラズマの輸送研究に向けた環境を整備した。(2)乱流揺動計測に向けてヘリオトロンJ周辺部プラズマ計測用のビーム放射分光装置を整備した。
2: おおむね順調に進展している
令和3年度は(1)新しいビーム放射分光装置のための光学系の設置・初期測定の実施、および(2)高ベータプラズマ生成のための放電シナリオ構築を進めた。(1)研究対象であるヘリオトロンJの乱流揺動計測を目的として、乱流揺動が局所的に強いことが理論的に予想される、磁場の曲率が悪い箇所でのビーム放射分光計測を試みた。まず研究代表者が開発したビーム輝線シミュレーションを新しい計測視線に適用し、観測視線を決定した。次に真空容器内部に設置するミラー・対物光学系・受光光学系を整備した。最後にヘリオトロンJプラズマにおいて計測を開始し、乱流揺動計測に向けた基礎データを取得した。また、他の先進ヘリカル配位での乱流揺動計測を目指してビーム放射分光法を米国・ウィスコンシン大学の先進ヘリカル装置HSXへ適用し、密度揺動の初期データの取得に成功した。(2)高ベータプラズマ生成の運転シナリオ構築を進めた。特に磁場強度によらないプラズマ着火手法開発を目指して、本研究課題では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用いる。今年度は予備電離プラズマがNBIプラズマ着火に与える効果を数値解析と実験結果を比較することで明らかにした。本課題で整備された数値解析コードの結果はヘリオトロンJで得られた実験結果をよく説明でき、着火に必要な予備電離プラズマの密度閾値もよく再現できることがわかった。内在する物理を調べたところ、予備電離プラズマの密度がこの閾値より高い場合、十分なビームイオンが生成され、これが背景電子温度の増加および背景ガスの電離を促進させる。これらの過程が正のフィードバックとして働き、最終的に着火まで至ることが明らかになった。整備された数値解析コードは他の装置への適用が可能で、同手法を利用したNBIプラズマ着火の運転シナリオの検証に用いることができる。
今後の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実験、および(3)高ベータプラズマの輸送特性解明を計画する。具体的に(1)に関して、令和3年度まで整備したプラズマ周辺部密度揺動計測用のビーム放射分光計測を進め、高周波密度揺動に対するエンベロープ解析・二点相関解析等を適用し、乱流揺動の特徴を理解する。(2)高ベータプラズマ生成実験および輸送特性を理解するための基礎データ取得に関しては、以下を計画する。プラズマの高ベータ化に向けた運転シナリオ構築には、加熱・粒子補給制御、リサイクリング制御が重要となる。NBI加熱に高密度プラズマが得られている単パルス高強度ガスパフ法に水素ペレット入射を組み合わせた複合粒子補給シナリオを適用し、より高密度・高ベータプラズマ生成を目指す。同時にビーム放射分光による密度揺動計測、および荷電交換再結合分光による径電場計測を通じて高ベータプラズマの輸送特性解明に向けたデータ取得を開始する。(3)輸送特性解明には熱・粒子輸送解析、新古典輸送解析ツールのヘリオトロンJへの適用が重要になる。本研究課題以外に研究代表者・分担者らが進めている共同研究（国内・国際）の枠組みを活用し、解析ツールのヘリオトロンＪへの適用を進める。これらのツールの整備を通じて高ベータプラズマの輸送特性を実験的・理論的に進め、ベータ効果と輸送改善の実験的検証を行う。
すべて 2021 その他
すべて 国際共同研究 (2件) 雑誌論文 (6件) (うち国際共著 5件、 査読あり 6件、 オープンアクセス 1件) 学会発表 (4件) (うち国際学会 1件) 備考 (1件)
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