複合トレーサー内蔵ペレットを用いた不純物蓄積回避スキームにおけるロバスト性の検証

2021 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 19H01881
• 研究機関: 核融合科学研究所
• 研究代表者: 田村 直樹 核融合科学研究所, ヘリカル研究部, 准教授 (80390631)
• 研究分担者: 吉沼 幹朗 核融合科学研究所, ヘリカル研究部, 助教 (20323058) ; 鈴木 千尋 核融合科学研究所, ヘリカル研究部, 助教 (30321615) ; 舟場 久芳 核融合科学研究所, ヘリカル研究部, 助教 (40300727) ; 向井 清史 核融合科学研究所, ヘリカル研究部, 助教 (90632266)
• 研究期間 (年度): 2019-04-01 – 2023-03-31
• キーワード: プラズマ・核融合 / 炉心プラズマ / 不純物輸送 / 不純物蓄積 / トレーサー内蔵固体ペレット / TESPEL

研究実績の概要

本研究課題では、不純物蓄積回避の度合いが、プラズマパラメータを変化させることでどの程度影響を受けるかを系統的に調べる。この作業を通して、不純物回避スキームにおいて鍵となる物理パラメータを実験的に明らかにする。また、シミュレーションとの比較、検証を繰り返し行い、確実性の高い物理モデルを構築する。最終目的として、不純物蓄積回避スキームを支える物理機構の解明を目指す。
2021年度は、これまで実施してきた複合トレーサー内蔵ペレット（Compound-TESPEL）の開発及び同Compound-TESPELを用いた初期実験の結果を基に、Compound-TESPELを用いた不純物蓄積回避スキームのロバスト性の検証を核融合科学研究所の大型ヘリカル装置（LHD）で本格的に開始した。本研究課題では、不純物蓄積回避スキームとして、電子サイクロトロン共鳴加熱（ECRH）または、イオンサイクロトロン共鳴加熱（ICRH）により、Compound-TESPEL入射直後にプラズマを追加熱している。中心集光されたECRHを用いた場合について、2020年度の実験時と比較して、ターゲットプラズマの線平均電子密度を少し高くして同様の実験を実施した。ICRHを用いた場合について、2021年度に初めて実験を実施し、ECRHほど明瞭ではないものの、不純物蓄積回避スキームとして有効であることを確認することができた。この確認は、ヘリカルプラズマにおいては世界で初めての例である。

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

2021年度は、これまで実施してきた開発及び初期実験の結果を基に、Compound-TESPELを用いて、不純物蓄積回避スキームのロバスト性の検証を本格的に進めることができた。2021年度は、昨年度の結果を踏まえて、リチウム(Z=3)とチタン(Z=22)の間の不純物を効果的かつ効率的にLHDプラズマに入射するのに適当な化合物として、1) チタン酸リチウム(Li2TiO3)、2)六ホウ化ケイ素(SiB6)、3)アルミン酸カルシウム(CaAl2O4)、4)塩化ナトリウム(NaCl)を選択した。ECRH追加熱による不純物蓄積回避スキームのロバスト性の検証の手始めとして、昨年度の実験時はターゲットプラズマの線平均電子密度が3 - 4x10^19 m^-3であったのに対して、5x10^19 m^-3と少し高くして同様のECRH実験を実施した（現在、実験データの較正を含めて、その詳細な解析を進めているところである）。また、異なる不純物蓄積回避スキームとして、ICRH追加熱を用いた実験をターゲットプラズマの線平均電子密度5x10^19 m^-3で実施した。ECRH追加熱時ほど明瞭ではないものの、ヘリカルプラズマにおいてもICRH追加熱が不純物蓄積回避スキームとして有効であることを世界で初めて確認することができた（こちらも現在、実験データの較正を含めて、その詳細な解析を進めているところである）。
Compound-TESPELを用いた不純物蓄積回避スキームのロバスト性評価実験を本格的に開始できたこと、不純物蓄積回避スキームとして、ICRHが有効であることをヘリカル系において初めて確認できたこと等を踏まえ、本研究課題は、おおむぬ順調に進展している、と判断した。

今後の研究の推進方策

2022年度は、本研究課題の最終年度であることから、不純物蓄積回避スキームのロバスト性の検証について追い込みをかける。現時点では、現状の機器構成を有するLHDで実験を実施できるのは、本年度が最後となっている。したがって、次年度以降にデータを再取得するのが難しい状況である。このことを踏まえて、実験データを取得する際は、必要なデータセットは必ず取り切るようにする。ECRHに関しては、周辺に集光した場合の実験データを取得する。ICRHに関しては、前回とは異なるターゲット密度で実験データを取得する。また、これまでの得られた実験データのうち、再取得が必要なものがあれば、そのための実験を最優先で実施する。得られた実験結果に対して、１次元不純物輸送コードSTRAHLを用いて、合理的な不純物輸送係数分布を求める。求めた不純物輸送係数分布を、新古典輸送理論コードDKES/PENTA及びジャイロ運動論コードGKVによって得られた計算結果と比較して、妥当性の高い輸送モデルの構築を進める。以上の研究により、得られた成果については、できるだけ速やかに権威ある国際及び国内学会などで報告し（できるだけ口頭発表を希望し、宣伝効果を高くする）、インパクトファクターの高い論文誌に投稿する。

研究成果

• [国際共同研究] マックスプランク・プラズマ物理研究所(ドイツ)
  • 国名: ドイツ
  • 外国機関名: マックスプランク・プラズマ物理研究所
• [国際共同研究] エネルギー・環境・科学技術研究センター(スペイン)
  • 国名: スペイン
  • 外国機関名: エネルギー・環境・科学技術研究センター
• [国際共同研究] プラズマ物理とレーザーマイクロ核融合研究所(ポーランド)
  • 国名: ポーランド
  • 外国機関名: プラズマ物理とレーザーマイクロ核融合研究所
• [国際共同研究] ウィスコンシン大学マディソン校(米国)
  • 国名: 米国
  • 外国機関名: ウィスコンシン大学マディソン校
• [国際共同研究] サンクトペテルブルク工科大学(ロシア連邦)
  • 国名: ロシア連邦
  • 外国機関名: サンクトペテルブルク工科大学
• [雑誌論文] Z-dependent crossing of excited-state energy levels in highly charged galliumlike lanthanide atomic ions (2022)
  • 著者名/発表者名: Koike Fumihiro、Suzuki Chihiro、Murakami Izumi、Kato Daiji、Tamura Naoki、Nakamura Nobuyuki
  • 雑誌名: Physical Review A 巻: 105 ページ: 032802～032802
  • DOI: 10.1103/PhysRevA.105.032802
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] A new multi-tracer pellet injection for a simultaneous study of low- and mid/high-Z impurities in high-temperature plasmas (2021)
  • 著者名/発表者名: Tamura N.、Yoshinuma M.、Yin X.、Ida K.、Suzuki C.、Shoji M.、Mukai K.、Funaba H.
  • 雑誌名: Review of Scientific Instruments 巻: 92 ページ: 063516～063516
  • DOI: 10.1063/5.0043495
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Development of a double-barreled Tracer Encapsulated Solid Pellet (TESPEL) injection system for LHD (2021)
  • 著者名/発表者名: Tamura N.、Hayashi H.、Uejima N.、Maeno H.、Itoh Y.、Yokota M.、Ogawa H.
  • 雑誌名: Journal of Instrumentation 巻: 16 ページ: C08003～C08003
  • DOI: 10.1088/1748-0221/16/08/C08003
  • 査読あり
• [雑誌論文] Simultaneous Observation of Silicon and Boron Impurity Behaviors in the Core Region of a Mid-Density LHD Plasma (2021)
  • 著者名/発表者名: TAMURA Naoki、YOSHINUMA Mikirou、IDA Katsumi、SUZUKI Chihiro、GOTO Motoshi、OISHI Tetsutarou、SHOJI Mamoru、MUKAI Kiyofumi、FUNABA Hisamichi
  • 雑誌名: Plasma and Fusion Research 巻: 16 ページ: 1202094～1202094
  • DOI: 10.1585/pfr.16.1202094
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Measurements of radial profile of isotope density ratio using bulk charge exchange spectroscopy (2021)
  • 著者名/発表者名: Yoshinuma M.、Ida K.、Yamasaki K.、Chen J.、Murakami I.
  • 雑誌名: Review of Scientific Instruments 巻: 92 ページ: 063509～063509
  • DOI: 10.1063/5.0043607
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Spectra of Ga-Like to Cu-Like Praseodymium and Neodymium Ions Observed in the Large Helical Device (2021)
  • 著者名/発表者名: Suzuki Chihiro、Koike Fumihiro、Murakami Izumi、Oishi Tetsutarou、Tamura Naoki
  • 雑誌名: Atoms 巻: 9 ページ: 46～46
  • DOI: 10.3390/atoms9030046
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Steady-state sustainment of divertor detachment with multi-species impurity seeding in LHD (2021)
  • 著者名/発表者名: Mukai Kiyofumi、Masuzaki Suguru、Hayashi Yuki、Oishi Tetsutaro、Suzuki Chihiro、Kobayashi Masahiro、Tokuzawa Tokihiko、Tanaka Hirohiko、Tanaka Kenji、Kinoshita Toshiki、Sakai Hikona、Peterson Byron Jay
  • 雑誌名: Nuclear Fusion 巻: 61 ページ: 126018～126018
  • DOI: 10.1088/1741-4326/ac2bbc
  • 査読あり
• [雑誌論文] Sensitivity improvement of infrared imaging video bolometer for divertor plasma measurement (2021)
  • 著者名/発表者名: Mukai K.、Peterson B. J.、Ezumi N.、Shigematsu N.、Ohshima S.、Miyashita A.、Matoike R.
  • 雑誌名: Review of Scientific Instruments 巻: 92 ページ: 063521～063521
  • DOI: 10.1063/5.0043664
  • 査読あり
• [雑誌論文] Spatial characteristics of luminous hydrocarbon pellet clouds in the large helical device (2021)
  • 著者名/発表者名: Sharov I A、Sergeev V Yu、Miroshnikov I V、Tamura N、Sudo S
  • 雑誌名: Plasma Physics and Controlled Fusion 巻: 63 ページ: 065002～065002
  • DOI: 10.1088/1361-6587/abf314
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Assessment of W density in LHD core plasmas using visible forbidden lines of highly charged W ions (2021)
  • 著者名/発表者名: Kato Daiji、Sakaue Hiroyuki A.、Murakami Izumi、Goto Motoshi、Oishi Tetsutarou、Tamura Naoki、Funaba Hisamichi、Morita Shigeru
  • 雑誌名: Nuclear Fusion 巻: 61 ページ: 116008～116008
  • DOI: 10.1088/1741-4326/ac22d1
  • 査読あり
• [学会発表] 磁場閉じ込め高温プラズマにおける多元プラズマ研究の進展 (2022)
  • 著者名/発表者名: 田村直樹, 小林政弘, 本島厳, 笠原寬史 , 花田和明, Oliver Schmitz, Andreas Dinklage, 居田克巳
  • 学会等名: 日本物理学会第77回年次大会
• [学会発表] LHDプラズマにおける不純物混入時の水素同位体イオン分布の応答 (2022)
  • 著者名/発表者名: 田村 直樹, 吉沼幹朗, 居田克巳, 大石鉄太郎, 後藤基志, 田中謙治, 徳沢季彦, 舟場久芳, 山田一博, 小林政弘, 本島厳, 笠原寬史
  • 学会等名: 日本物理学会第77回年次大会
• [学会発表] Development of a Double-barreled Tracer-Encapsulated Solid Pellet (TESPEL) injection system for LHD (2021)
  • 著者名/発表者名: N. Tamura, H. Hayashi, N. Uejima, H. Maeno, Y. Ito, M. Yokota, H. Ogawa
  • 学会等名: 4th European Conference on Plasma Diagnostics
  • 国際学会
• [学会発表] Study of the Z-dependence of core impurity transport in LHD plasmas by means of a new type of TESPEL (2021)
  • 著者名/発表者名: N. Tamura, M. Yoshinuma, K. Ida, C. Suzuki, M. Goto, T. Oishi, M. Shoji, K. Mukai, H. Funaba, and LHD experiment group
  • 学会等名: 47th EPS Conference on Plasma Physics
  • 国際学会
• [学会発表] 新型TESPELを用いたLHDプラズマにおける不純物輸送特性のZ依存性研究 (2021)
  • 著者名/発表者名: 田村 直樹, 吉沼幹朗, 居田克巳, 鈴木千尋, 後藤基志, 大石鉄太郎, 庄司主, 向井清史, 舟場久芳
  • 学会等名: 日本物理学会2021年秋季大会
• [学会発表] Experimental Study Towards Taming Mixed Ion Species Plasmas in 3D Magnetic Field (2021)
  • 著者名/発表者名: N. Tamura, K. Ida, M. Yoshinuma, K. Nagaoka, Y. Fujiwara, T. Oishi, M. Kobayashi, T. Kobayashi, M. Goto, C. Suzuki, Y. Hayashi, H. Funaba, S. Masuzaki, K. Mukai, G. Motojima, M. Nakata, H. Yamaguchi, R. Sakamoto, M. Shoji, O. Schmitz, R. Seki, K. Tanaka, T. Tokuzawa, I. Yamada and R. Yasuhara
  • 学会等名: 5th Asia Pacific Conference on Plasma Physics
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] 定常大型プラズマを活用した多価イオンの分光計測と原子過程研究 (2021)
  • 著者名/発表者名: 鈴木千尋
  • 学会等名: 日本物理学会2021年秋季大会
• [学会発表] Analysis of EUV spectra of lanthanum and europium ions observed in the Large Helical Device (2021)
  • 著者名/発表者名: Suzuki C., Koike F., Murakami I., Tamura N., Oishi, T., Nakamura N.
  • 学会等名: The 30th International Toki Conference on Plasma and Fusion Research
  • 国際学会
• [学会発表] 大型ヘリカル装置におけるランタノイド元素多価イオンの極端紫外スペクトル解析の進展 (2021)
  • 著者名/発表者名: 鈴木千尋、小池文博、村上泉、田村直樹、大石鉄太郎、中村信行
  • 学会等名: 第38回プラズマ・核融合学会年会
• [学会発表] Feature extraction from two-dimensional radiation images of impurity seeded plasmas on Large Helical Device (2021)
  • 著者名/発表者名: K. Mukai, B. J. Peterson, G. Kawamura, K. Munechika
  • 学会等名: The 30th International Toki Conference on Plasma and Fusion Research
  • 国際学会
• [備考] プラズマ診断技術であるペレット入射に関する理解が進展
  • URL: https://www-lhd.nifs.ac.jp/pub/Science/Paper_PPCF63-065002.html
• [備考] 異なる不純物を同時にプラズマ中に入射する新たな手法を開発
  • URL: https://www-lhd.nifs.ac.jp/pub/Science/Paper_RSI92-063516.html
• [備考] LHDにおけるプラセオジム・ネオジム多価イオンの発光線同定
  • URL: https://www-lhd.nifs.ac.jp/pub/Science/Paper_ATOMS9-46.html