3次元磁場効果による安定なダイバータデタッチメントとコアプラズマ性能の両立

2020 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 19H01878
• 研究機関: 核融合科学研究所
• 研究代表者: 小林 政弘 核融合科学研究所, ヘリカル研究部, 准教授 (30399307)
• 研究期間 (年度): 2019-04-01 – 2023-03-31
• キーワード: 3次元磁場構造 / 熱的不安定性 / プラズマ放射冷却 / 乱流伝播 / 輸送障壁

研究実績の概要

周辺部の揺動計測用の高速カメラシステムの立ち上げを完了した。最大100kHzサンプリングでHeと水素の発光線の分布計測を行えるようになった。このシステムにより、高ベータプラズマ放電において、閉じ込め改善時にダイバータレグから突発的にプラズマが吐き出される様子を観測することができた。
コアプラズマの輸送コードの改良を行い、輸送の変化をより高い空間分解能で解析できるようになった。この結果、後述する重水素と軽水素の周辺部の輸送の違いを見出すことができるようになった。
昨年度に見つかっていた重水素プラズマにおけるダイバータデタッチメント時に起こる閉じ込め改善モードについて、軽水素放電で同様の現象があるかを調べた。その結果、軽水素でも同様の遷移現象は見られるが一時的であること、コア部での輸送係数は重水素と軽水素でほとんど同じであるが、周辺部では重水素において顕著な輸送障壁が形成されることが明らかになった。プラズマの揺動については、閉じ込め改善が起こる際には、重水素でより顕著な揺動の減少が見られた。詳細な物理過程について解析を進めている。
この他新たな放電モードの試みを行った。共鳴摂動磁場が共鳴する半径位置を変化させ、かつプラズマからの放射損失を促進するために不純物入射を行い、さらに電子サイクロトロン共鳴加熱（ECRH）によってプラズマの極中心部を選択的に加熱したところ、入力パワーの90％を放射損失させることに成功した。また、50％の放射損失を安定に５秒間維持することにも成功した。これらはいずれもLHDにおけるこれまでで最大放射損失量、最長維持時間である。このような高放射損失を安定に維持できた理由として、周辺部の磁場構造が大きく関係しているとともに、プラズマの加熱方式の効果もあると考えられる。
ヘリカル型装置W7-AS/X装置との比較を行い、PSI国際会議で基調講演として発表を行った。

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

高速カメラシステムの立ち上げが完了した。軽水素と重水素の比較を進めた。また新たな運転モードにより高い放射損失が得られたことから、ダイバータ熱負荷軽減とコアプラズマ性能の両立、およびその理解に向けて進展があった。ドイツのヘリカル型装置W7-AS/Xとの比較研究を行った。

今後の研究の推進方策

高速カメラで得られたHeと水素の発光強度分布の解析を、衝突輻射モデルを用いて解析することにより、プラズマの電子温度・電子密度および中性粒子の揺動を評価する。新たに見つかった高放射損失運転について、コアの閉じ込め性能の評価と揺動データの解析を行う。また、加熱方式の違い（電子サイクロトロン共鳴加熱、中性粒子入射ビーム加熱）による影響を系統的に調べる。

研究成果

• [国際共同研究] デュッセルドルフ大学(ドイツ)
  • 国名: ドイツ
  • 外国機関名: デュッセルドルフ大学
• [国際共同研究] ウィスコンシン大学(米国)
  • 国名: 米国
  • 外国機関名: ウィスコンシン大学
• [国際共同研究] マックスプランク研究所(ドイツ)
  • 国名: ドイツ
  • 外国機関名: マックスプランク研究所
• [雑誌論文] Time-dependent plasma transport simulation for the study of edge impurity radiation dynamics with magnetic island in large helical device (2020)
  • 著者名/発表者名: M. Kobayashi, M.Z. Tokar
  • 雑誌名: Contributions to Plasma Physics 巻: 60 ページ: e201900138
  • DOI: 10.1002/ctpp.201900138
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Divertor Detachment with Multi-Species Impurity Seeding in LHD (2020)
  • 著者名/発表者名: K. Mukai, S. Masuzaki, Y. Hayashi, T. Oishi, C. Suzuki, M. Kobayashi, H. Tanaka, B.J. Peterson
  • 雑誌名: Plasma and Fusion Research 巻: 15 ページ: 1402051-1402051
  • DOI: 10.1585/pfr.15.1402051
  • 査読あり
• [雑誌論文] Molecular dynamics simulation model of hydrogen recycling on carbon divertor for neutral transport analysis in large helical device (2020)
  • 著者名/発表者名: S. Saito, H. Nakamura, K. Sawada, M. Kobayashi, M. Hasuo
  • 雑誌名: Contributions to Plasma Physics 巻: 60 ページ: e201900152
  • DOI: 10.1002/ctpp.201900152
  • 査読あり
• [雑誌論文] Neutral transport code for rovibrational population calculation of molecular hydrogen in large helical device plasmas (2020)
  • 著者名/発表者名: K. Sawada, H. Nakamura, S. Saito, G. Kawamura, M. Kobayashi, K. Haga, R. Migita, T. Sawada, M. Hasuo
  • 雑誌名: Contributions to Plasma Physics 巻: 60 ページ: e201900153
  • DOI: 10.1002/ctpp.201900153
  • 査読あり
• [雑誌論文] Modeling of the resonant magnetic perturbation effect on detachment in the Large Helical Device (2020)
  • 著者名/発表者名: M.Z. Tokar, M. Kobayashi
  • 雑誌名: Plasma Physics and Controlled Fusion 巻: 62 ページ: 085011
  • DOI: 10.1088/1361-6587/ab9c49
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] A mechanism of ion temperature peaking by impurity pellet injection in a heliotron plasma (2020)
  • 著者名/発表者名: M.Z. Tokar, M. Osakabe, M. Kobayashi, K. Mukai, K. Nagaoka, H. Takahashi, K. Tanaka, T. Morisaki
  • 雑誌名: Plasma Physics and Controlled Fusion 巻: 62 ページ: 075008
  • DOI: 10.1088/1361-6587/ab8ca2
  • 査読あり / 国際共著
• [学会発表] Divertor operation scenarios in helical devices (2021)
  • 著者名/発表者名: R. Koenig, S. Masuzaki, M. Kobayashi, K. Mukai, G. Motojima, T. Oishi, Y. Hayashi, G. Kawamura, T. Morisaki, S. Brezinsek, F. Effenberg, Y. Feng, M. Jakubowski, T. Kremeyer, M. Krychowiak, V. Perseo, F. Reimold, M. Otte, O. Schmitz, T Sunn Pedersen, T. Wauters, U. Wenzel, V. Winters and the W7-X and LHD teams
  • 学会等名: International Conference on Plasma Surface Interaction
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Ne & N seeding experiments in LHD and W7-X (2020)
  • 著者名/発表者名: M. Kobayashi, M. Jakubowski, the LHD experiment group, W7-X team
  • 学会等名: 28th ITPA meeting of TG SOL and divertor physics
  • 国際学会
• [学会発表] Mechanisms for Reduction of Ion Anomalous Transport in LHD, by Impurity Injection (2020)
  • 著者名/発表者名: M.Z. Tokar, M. Osakabe, M. Kobayashi, K. Mukai, K. Nagaoka, H. Takahashi, K. Tanaka, T. Morisaki
  • 学会等名: International Toki Conference 29
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Ro-vibrational Population Distribution in the Ground State of Hydrogen Molecule Isotope in LHD Peripheral Plasmas Deduced from Emission Spectroscopy (2020)
  • 著者名/発表者名: Arseniy KUZMIN, Hiroki ISHIHARA, Masahiro KOBAYASHI1, Taiichi SHIKAMA, Keiji SAWADA, Seiki,SAITO, Hiroaki NAKAMURA, Keisuke FUJII, Masahiro HASUO, and the LHD Experiment Group
  • 学会等名: International Toki Conference 29
  • 国際学会
• [学会発表] Study on Mesh Generation Scheme Based on Structure of Magnetic Field Lines for Large Helical Device (2020)
  • 著者名/発表者名: Daisuke TAKADA, Taku ITOH, Masahiro KOBAYASHI, Hiroaki NAKAMURA
  • 学会等名: International Toki Conference 29
  • 国際学会
• [学会発表] EUV and VUV Spectra of NeIII-NeX Line Emissions Observed in the Impurity Gas-puffing Experiments of the Large Helical Device (2020)
  • 著者名/発表者名: Tetsutarou OISHI, Shigeru MORITA, Masahiro KOBAYASHI, Kiyofumi MUKAI, Gakushi KAWAMURA, Suguru MASUZAKI, Yuki HAYASHI, Chihiro SUZUKI, Yasuko KAWAMOTO, Motoshi GOTO and the LHD Experiment Group
  • 学会等名: International Toki Conference 29
  • 国際学会
• [学会発表] Isotope effects on particle transport in LHD (2020)
  • 著者名/発表者名: T. Kinoshita, K. Tanaka, Y. Ohtani, M. Shoji, M. Goto, M. Kobayashi and LHD Experiment Group
  • 学会等名: International Toki Conference 29
  • 国際学会
• [学会発表] 共鳴摂動磁場を用いたダイバータ熱負荷軽減とコアプラズマ性能の両立 (2020)
  • 著者名/発表者名: 小林政弘、田中謙治、高橋裕己、林 祐貴、向井清史、大石鉄太郎、武村勇輝、木下稔基、M.Z. Tokar, 關 良輔、増崎貴、ピーターソンバイロン、森田繁、LHD実験グループ
  • 学会等名: プラズマ・核融合学会年会