ミリ波散乱計測による核融合プラズマ中の燃料イオン診断システムの開発

2023 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 19KK0073
• 研究機関: 核融合科学研究所
• 研究代表者: 西浦 正樹 核融合科学研究所, 研究部, 准教授 (60360616)
• 研究分担者: 藤井 恵介 京都大学, 工学研究科, 助教 (10637705) [辞退] ; 矢内 亮馬 核融合科学研究所, 研究部, 助教 (40824743) ; 關 良輔 核融合科学研究所, 研究部, 助教 (80581066) ; 釼持 尚輝 核融合科学研究所, 研究部, 助教 (80781319) ; 奴賀 秀男 核融合科学研究所, 研究部, 助教 (10625429)
• 研究期間 (年度): 2019-10-07 – 2024-03-31
• キーワード: 燃焼プラズマ / 核融合 / 高エネルギー粒子 / 散乱計測 / ミリ波 / トモグラフィ / 深層学習 / 電子サイクロトロン輻射

研究実績の概要

核融合プラズマ中のDT反応で発生する高エネルギーイオン(3.5MeVα粒子)は燃料イオン(D,T)を加熱し，プラズマの自立燃焼を支える．ITERでのα粒子計測はミリ波協同トムソン散乱(Collective Thomson Scattering, CTS)計測を採用した．本研究はミリ波CTS計測による核融合プラズマ中の高エネルギーイオンの速度分布関数計測手法の確立を目的とする．
CTS計測の新たな応用として，プラズマの乱流輸送を調査できる電子温度揺動計測を実施した．その結果，プラズマのMHD揺動に伴う電子温度揺動を捕らえることに成功した．電子温度に対し，数%の強い電子温度揺動は計測可能であることが明らかになったが，乱流起因の電子温度揺動の相関スペクトルを得るには，感度を一桁以上向上させる必要があることも判明した．この成果は，LAPD20で報告した．
プラズマ加熱ビームから生じる高エネルギーイオンの速度分布は，入射ビームの磁場に対するピッチ角により，非熱化イオンは非等方的に存在すると考えられる．CTS計測によりCTSスペクトルの非対称性が観測され，実験的にも非等方な高エネルギーイオンの存在を確認した．この事実に基づき，高エネルギーイオンの非対称性を変化させることで，プラズマの輸送への影響を調査した．その結果，磁力線に垂直と並行方向の速度空間における非等方性を高めると，バルクイオンと不純物イオンは粒子を排出する方向へ，等方性を高めるとプラズマコア部の方向に輸送することを突き止めた．その結果は，65th APS Division of Plasma Physicsで，招待講演を行った．
マックスプランクプラズマ物理研究所とデンマーク工科大の研究者らと本研究チームの交流，核融合スタートアップとの共同研究等，ミリ波分野の新しい拠点形成に貢献し，当初想定した以上の成果を得ることが出来た．

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] Technical University of Denmark(デンマーク)
  • 国名: デンマーク
  • 外国機関名: Technical University of Denmark
• [国際共同研究] Brookhaven National Laboratory/Princeton Plasma Physics Laboratory(米国)
  • 国名: 米国
  • 外国機関名: Brookhaven National Laboratory/Princeton Plasma Physics Laboratory
• [雑誌論文] Commissioning and first results of the 174 GHz collective Thomson scattering diagnostic at Wendelstein 7-X (2024)
  • 著者名/発表者名: Moseev D.、Ponomarenko S.、Laqua H.P.、Stange T.、Nielsen S.K.、Braune H.、Gantenbein G.、Illy S.、Jelonnek J.、Kasparek W.、Kuleshov A.、Krier L.、Lechte C.、Marsen S.、Nishiura M.、Plaum B.、Ragona R.、Ruess T.、Salewski M.、Stordiau P.、Thumm M.、Wolf R.C.、Zimmermann J.、W7-X Team the
  • 雑誌名: Journal of Instrumentation 巻: 19 ページ: C03056～C03056
  • DOI: 10.1088/1748-0221/19/03/C03056
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Influence of sawtooth oscillations on fast ions in a stellarator (2024)
  • 著者名/発表者名: Moseev D.、Zanini M.、Kasahara H.、Laqua H.、Funaba H.、Hayashi W.、Heidbrink William W、Ida K.、Igami H.、Kawamoto Y.、Kenmochi N.、Lazerson Samuel A、Nishiura M.、Ochoukov R.、Ogawa K.、Larsen Mads Rud、Salewski M.、Seki T.、Tamura N.、Tanaka K.、Tokuzawa T.、Yoshinuma M.
  • 雑誌名: Nuclear Fusion 巻: 64 ページ: 066028～066028
  • DOI: 10.1088/1741-4326/ad4169
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Degradation of fast-ion confinement depending on the neutral beam power in MHD quiescent LHD plasmas (2024)
  • 著者名/発表者名: Nuga H.、Seki R.、Ogawa K.、Yamaguchi H.、Kamio S.、Fujiwara Y.、Kawamoto Y.、Yoshinuma M.、Kobayashi T.、Takemura Y.、Isobe M.、Osakabe M.、Yokoyama M.
  • 雑誌名: Nuclear Fusion 巻: 64 ページ: 066001～066001
  • DOI: 10.1088/1741-4326/ad3971
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] New Q and V-band ECE radiometer for low magnetic field operation on LHD (2023)
  • 著者名/発表者名: Tokuzawa Tokihiko、Goto Yuki、Kuwahara Daisuke、Nishiura Masaki、Shimizu Takashi
  • 雑誌名: EPJ Web of Conferences 巻: 277 ページ: 03008～03008
  • DOI: 10.1051/epjconf/202327703008
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Development of correlation ECE system for electron temperature fluctuation measurement in LHD (2023)
  • 著者名/発表者名: Gong M.、Nishiura M.、Yanai R.、Takemura Y.
  • 雑誌名: Journal of Instrumentation 巻: 18 ページ: C10007～C10007
  • DOI: 10.1088/1748-0221/18/10/C10007
  • 査読あり
• [雑誌論文] Multi-hole coupling power monitor with tapered sub-waveguide for dual-frequency high-power gyrotron (2023)
  • 著者名/発表者名: Yanai R.、Takeuchi T.、Mizuno Y.、Yoshimura Y.、Nishiura M.、Igami H.、Takahashi H.、Tsujimura T. Ii、Kenmochi N.
  • 雑誌名: AIP Advances 巻: 13 ページ: 095105～095105
  • DOI: 10.1063/5.0159136
  • 査読あり / オープンアクセス
• [学会発表] 磁気圏型配位RT-1で観測されるコーラス放射の発生領域 (2024)
  • 著者名/発表者名: 齋藤晴彦, 西浦正樹, 上田研二, 温周陽, 三村洸生, 釼持尚輝, 吉田善章
  • 学会等名: 日本物理学会 2024年春季大会
• [学会発表] LHDにおけるコア密度ピーキング観測III (2024)
  • 著者名/発表者名: 西浦正樹, 佐竹真介, 清水昭博, 井戸毅, 吉沼幹朗, 矢内亮馬, 沼波政倫, 山口裕之, 藤田慶二, Salewski Mirko, 奴賀秀男, 關良輔
  • 学会等名: 日本物理学会 2024年春季大会
• [学会発表] Development of correlation ECE system for electron temperature fluctuation measurement in LHD (2023)
  • 著者名/発表者名: M. Gong, M. Nishiura, R. Yanai, Y. Takemura
  • 学会等名: 20th International Symposium on Laser-Aided Plasma Diagnostics
  • 国際学会
• [学会発表] Core density peaking by control of energetic ion anisotropy in LHD (2023)
  • 著者名/発表者名: M. Nishiura, A. Shimizu, S. Satake, T. Ido, K. Fujita, M. Yoshinuma, R. Yanai, M. Nunami, M. Salewski, H. Yamaguchi, H. Nuga, R. Seki
  • 学会等名: 29th Fusion Energy Conference
  • 国際学会
• [学会発表] Electron-scale turbulence characteristics in LHD plasma (2023)
  • 著者名/発表者名: T. Nasu, T. Tokuzawa, T. I. Tsujimura, M. Nakata, K. Ida, S. Inagaki, M. Nishiura, Y. Yoshimura, R. Yanai, K. Tanaka, M. Yoshinuma, T. Kobayashi, A. Ejiri, K. Y. Watanabe, I. Yamada, and LHD experiment group
  • 学会等名: 29th Fusion Energy Conference
  • 国際学会
• [学会発表] Recent advances in the understanding of fluctuation activities of high-beta plasma in RT-1 (2023)
  • 著者名/発表者名: H. Saitoh, M. Nishiura, T. Mori, K. Ueda, R. Nakagawa, Z. Wen, K. Nunotani, S. Murai, N. Sato, N. Kenmochi, Z. Yoshida
  • 学会等名: 29th Fusion Energy Conference
  • 国際学会
• [学会発表] Detection of high-energy fast ions in LHD and prospects for quantitative validation of neoclassical fast-ion transport calculations (2023)
  • 著者名/発表者名: W. Hayashi, C. Muscatello, E. Green, H. Yamaguchi, J. H. Nicolau, K. Ogawa, M. Nishiura, M. Osakabe, M. Isobe, W. W. Heidbrink, Y. Kawamoto, Y. Fujiwara, Z. Lin
  • 学会等名: 29th Fusion Energy Conference
  • 国際学会
• [学会発表] First evidence of the fast ion redistribution due to sawtooth crash in a stellarator (2023)
  • 著者名/発表者名: D. Moseev, M. Zanini, H. Kasahara, H.P. Laqua, H. Funaba, W. H. J. Hayashi, W. Heidbrink, K. Ida, H. Igami, Y. Kawamoto, N. Kenmochi, S. A. Lazerson, M. Nishiura, R. Ochoukov, M. Rud, M. Salewski, T. Seki, N. Tamura, K. Tanaka, M. Yoshinuma
  • 学会等名: 29th Fusion Energy Conference
  • 国際学会
• [学会発表] Core density profile control by energetic ion anisotropy in LHD (2023)
  • 著者名/発表者名: M. Nishiura
  • 学会等名: 65th Annual Meeting of the APS Division of Plasma Physics
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] LHDにおけるコア密度ピーキングの観測II (2023)
  • 著者名/発表者名: 西浦正樹, 清水昭博, 佐竹真介, 井戸毅, 藤田慶次, 吉沼幹朗, 矢内亮馬, 沼波政倫, Salewski Mirko
  • 学会等名: 日本物理学会 2023年年次大会
• [学会発表] 超伝導ミラー装置によるプラズマ燃焼物理実験の提案 (2023)
  • 著者名/発表者名: 西浦正樹, 釼持尚輝, 矢内亮馬, 佐竹真介, 沼田龍介
  • 学会等名: プラズマ核融合学会 2023年年会
• [学会発表] 電磁界解析を用いたLHDにおける密度揺動によるECHビーム広がりの推定 (2023)
  • 著者名/発表者名: 矢内亮馬, 木下稔基, 田中謙治, 酒井彦那, 久保伸
  • 学会等名: プラズマ核融合学会 2023年年会
• [学会発表] Investigation of Density Fluctuation Influence on ECH Microwave Propagation in LHD (2023)
  • 著者名/発表者名: R. Yanai, T. Kinoshita, K. Tanaka, H. Sakai, S. Kubo
  • 学会等名: 65th Annual Meeting of the APS Division of Plasma Physics
  • 国際学会
• [学会発表] Full-wave Analysis for Estimation of Microwave Beam Broadening by Turbulent Density Fluctuations in LHD (2023)
  • 著者名/発表者名: R. Yanai, T. Kinoshita, K. Tanaka, H. Sakai, S. Kubo
  • 学会等名: 7th Asia-Pacific Conference on Plasma Physics
  • 国際学会
• [学会発表] 乱流・熱伝播速度の時間スケール依存性 (2023)
  • 著者名/発表者名: 釼持尚輝, 居田克巳, 徳澤季彦, 安原亮, 舟場久芳, 上原日和, D.J.DenHartog, 山田一博, 吉沼幹朗, 武村勇輝, 伊神弘恵 , 矢内亮馬
  • 学会等名: プラズマ核融合学会 2023年年会
• [学会発表] Fast response of turbulence and heat pulses to thermal perturbations (2023)
  • 著者名/発表者名: N.Kenmochi, K.Ida, T.Tokuzawa, R.Yasuhara, H.Funaba, H.Uehara, D.J, DenHartog, I.Yamada,M. Yoshinuma , H. Igami , R. Yanai
  • 学会等名: 7th Asia-Pacific Conference on Plasma Physics
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] High-speed turbulence spreading and time-scale dependence on propagation velocity of turbulence and heat pulses (2023)
  • 著者名/発表者名: N. Kenmochi , K. Ida , T. Tokuzawa , R. Yasuhara , H. Funaba , H. Uehara , D. J. Den Hartog , I. Yamada , M. Yoshinuma , H. Igami , R. Yanai
  • 学会等名: 29th IAEA Fusion Energy Conference
  • 国際学会
• [学会発表] Time-scale dependence of turbulence and heat pulse propagation velocity (2023)
  • 著者名/発表者名: N. Kenmochi , K. Ida , T. Tokuzawa , R. Yasuhara , H. Funaba , H. Uehara , D. J Den Hartog , I. Yamada , M. Yoshinuma , H. Igami , R. Yanai
  • 学会等名: 49th European Conference on Plasma Physics
  • 国際学会
• [学会発表] Orbit-following simulation of fast-ion transport and losses due to the Alfvén eigenmode burst in the Large Helical Device (2023)
  • 著者名/発表者名: R. Seki, Y. Todo, Y. Suzuki, D.A. Spong, K. Ogawa, M. Isobe, M. Osakabe
  • 学会等名: 7th Asia-Pacific Conference on Plasma Physics 2023
  • 国際学会 / 招待講演
• [備考] 東京大学大学院新領域創成科学研究科先端エネルギー工学専攻西浦研究室
  • URL: http://www.ppl.k.u-tokyo.ac.jp/nishiura/
• [学会・シンポジウム開催] 20th International Symposium on Laser-Aided Plasma Diagnostics (2023)