低域混成波による球状トカマクプラズマの電流駆動

2012 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 21226021
• 研究機関: 東京大学
• 研究代表者: 高瀬 雄一 東京大学, 新領域創成科学研究科, 教授 (70292828)
• 研究分担者: 江尻 晶 東京大学, 新領域創成科学研究科, 准教授 (30249966)
• 研究期間 (年度): 2009-05-11 – 2014-03-31
• キーワード: プラズマ・核融合 / 球状トカマク / 高周波 / 電流駆動 / 自己組織化

研究概要

本研究の目的は、球状トカマク（ST）の最大課題の一つである、非誘導法によるプラズマ電流立ち上げの実証である。低域混成波（LHW）の進行波をプラズマ中に直接励起できる誘電体充填型導波管配列アンテナ（グリルアンテナ）を用いてプラズマ電流立ち上げ実験を行った。グリルアンテナからプラズマ波動への結合効率は予想以下であり、入射電力の約半分が反射されるため、プラズマ中に励起されたLHWの波数スペクトルが大幅に劣化することがわかった。実験条件下でモデル計算により調べたところ、高電力では高周波（RF）電場に起因するポンデロモーティブ力によりプラズマがアンテナ前面から排除され、結合が悪化すると推論された。電流駆動効率は、速波（FW）励起の誘導結合型コムラインアンテナで得られたのとほぼ同等であり、同程度のプラズマ電流までの立ち上げが達成された。新たに設置した8.2 GHzのマイクロ波を用い、LHWのプラズマ中心部への伝搬に必要なトロイダル磁場0.3 Tで実験を行ったところ、電流駆動効率はトロイダル磁場が高いほど、またプラズマ電流が高いほどよくなることがわかった。励起された波のRF磁場を5個の磁気プローブより成るプローブアレイで計測したところ、波の偏波（LHWまたはFW）により波長が異なること、それらがLHWおよびFWの分散関係を満たすことが確認された。また、プローブで観測された波のトロイダル方向の波長はアンテナが励起したLHWの波長より長いことが明らかとなった。これらはプラズマ中のLHWの波長を直接測った世界的にも高く評価される結果であり、波の挙動の理解に大きく貢献するものである。アンテナからプラズマへの結合および励起されるLHWの波数スペクトルを改善するため、新たな概念にもとづく静電結合型コムラインアンテナを開発・製作し、実験を開始した。

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

STプラズマにおいてLHWによるプラズマ電流立ち上げ（ランプアップ）を実証することが本研究の目的である。これまで、2本のループアンテナ、誘導結合型コムラインアンテナ、誘電体充填型導波管配列アンテナ（グリルアンテナ）を使った実験を行い、立上げ直後の1 kA程度のプラズマ電流では圧力勾配駆動が支配的だが、ランプアップに伴い、5 kA程度からはRF駆動電流が重要となってくることが明らかとなっており、既に15 kAまでのプラズマ電流ランプアップが達成されている。グリルアンテナではプラズマとの結合効率が十分高くないため、プラズマ中に励起されるLHWの波数スペクトルが崩れてしまうことがわかったので、新概念に基づく静電結合型コムラインアンテナを新たに設計・製作し、実験を開始している。プラズマ計測や波動計算コードも整備されており、研究はおおむね順調に進展している。

今後の研究の推進方策

今後は新たにTST-2に設置した、優れた波数スペクトルを持つLHWを直接励起できる静電結合型コムラインアンテナを使った実験を推進する。アンテナからプラズマへの結合を改善し、100 kW程度のパワーを使った実験を行うことにより、波動とプラズマの相互作用を顕在化させることを目指す。磁気プローブ、静電プローブ、反射計、干渉計等、複数の方法による波動の同時多点計測、X線輻射等による電子速度分布関数に関する情報の収集、磁気計測に基づくプラズマ平衡の再構成、プラズマの温度・密度分布計測等の結果を総合して、電流駆動に関わる物理機構を調べる。得られた実験結果を世界最高水準の波動解析コードTORLHやAORSA、フォッカープランクコードCQL3D等の計算結果や、非線形現象であるパラメトリック崩壊過程の計算結果と対比し、波動物理および波動・粒子相互作用の解明を目指す。

研究成果

• [雑誌論文] Electron Temperature Measurement on QUEST spherical tokamak by Thomson scattering system (2013)
  • 著者名/発表者名: T. Yamaguchi
  • 雑誌名: Plasma Fusion Research 巻: 8 ページ: 1302001 (4頁)
  • DOI: 10.1585/pfr.8. 1302001
  • 査読あり
• [雑誌論文] X-ray Measurements during Plasma Current Start-up Experiments using the Lower Hybrid Wave on the TST-2 Spherical Tokamak (2012)
  • 著者名/発表者名: T. Wakatsuki, A. Ejiri, H. Kakuda, Y. Takase, T. Ambo, H. Furui, T. Hashimoto, J. Hiratsuka, H. Kasahara, K. Kato, R. Kumazawa, Y. Nagashima, K. Saito, T. Sakamoto, T. Seki, F. Shimpo, R. Shino, T. Shinya, M. Sonehara, O. Watanabe, T. Yamaguchi, C. P. Moeller
  • 雑誌名: IEEJ Trans. FM 巻: 132(7) ページ: 485-489 (5)
  • DOI: 10.1541/ieejfms.132.485
  • 査読あり
• [雑誌論文] Demonstration of in-situ relative calibration method for a Thomson scattering diagnostic on TST-2 (2012)
  • 著者名/発表者名: H. Tojo
  • 雑誌名: Journal of Instrumentation 巻: 7 ページ: P04005 (12頁)
  • DOI: 10.1088/1748-0221/7/04/P04005
  • 査読あり
• [雑誌論文] Fluctuation Measurement Across the Broad Range of the Low-field Side Edge Plasmas in the TST-2 Spherical Tokamak (2012)
  • 著者名/発表者名: M. Sonehara
  • 雑誌名: IEEJ Transactions on Fundamentals and Materials 巻: 132 ページ: 499-504
  • DOI: 10.1541/ieejfms.132.499
  • 査読あり
• [雑誌論文] Off-Axis Temperature Anisotropy Measurement by Double-Pass Thomson Scattering Diagnostic System on TST-2 (2012)
  • 著者名/発表者名: J. Hiratsuka
  • 雑誌名: Plasma Fusion Research 巻: 7 ページ: 2402092 (5頁)
  • DOI: 10.1585/pfr.7.2402092
  • 査読あり
• [雑誌論文] Development of Multi-channel Doppler Spectroscopic Measurement System Using 8 X 8 Multianode Photomultiplier Tube Assembly (2012)
  • 著者名/発表者名: S. Kamio
  • 雑誌名: Review of Scientific Instruments 巻: 83 ページ: 083103 (4頁)
  • DOI: 10.1063/1.4739774
  • 査読あり
• [学会発表] LHDにおけるマイクロ波反射計を用いた波動測定 (2013)
  • 著者名/発表者名: 江尻晶
  • 学会等名: 日本物理学会第68回年次大会
  • 発表場所: 広島大学東広島キャンパス
  • 年月日: 20130326-20130329
• [学会発表] TST-2球状トカマク装置におけるフロー及びプラズマ乱流構造計測 (2013)
  • 著者名/発表者名: 曽根原正晃
  • 学会等名: 第14回 若手科学者によるプラズマ研究会
  • 発表場所: 原子力機構那珂核融合研究所
  • 年月日: 20130307-20130309
• [学会発表] 最近のTST-2実験 (2013)
  • 著者名/発表者名: 江尻晶
  • 学会等名: ST研究会「マイクロ波駆動核融合」討論会
  • 発表場所: 核融合科学研究所
  • 年月日: 20130306-20130306
  • 招待講演
• [学会発表] TST-2における小型ロゴスキープローブを用いた局所プラズマ電流の計測 (2013)
  • 著者名/発表者名: 古井宏和
  • 学会等名: ST研究会「マイクロ波駆動核融合」討論会
  • 発表場所: 核融合科学研究所
  • 年月日: 20130306-20130306
• [学会発表] Plasma Start-up by LHW on TST-2 (2013)
  • 著者名/発表者名: Y. Takase
  • 学会等名: Workshop on RF Startup and Sustainment
  • 発表場所: RIAM, Kyushu Univ.
  • 年月日: 20130226-20130301
  • 招待講演
• [学会発表] LH Antenna and Diagnostic Development on TST-2 (2013)
  • 著者名/発表者名: Y. Takase
  • 学会等名: Workshop on RF Startup and Sustainment
  • 発表場所: RIAM, Kyushu Univ.
  • 年月日: 20130226-20130301
• [学会発表] TST-2: present status and future plan (2013)
  • 著者名/発表者名: Y. Takase
  • 学会等名: 1st A3 Foresight Workshop on Spherical Torus
  • 発表場所: Seoul National University, Korea
  • 年月日: 20130114-20130116
  • 招待講演
• [学会発表] Study of Electron Distribution Function Assymmetry by Thomson Scattering on TST-2 (2013)
  • 著者名/発表者名: J. Hiratsuka
  • 学会等名: 1st A3 Foresight Workshop on Spherical Torus
  • 発表場所: Seoul National University, Korea
  • 年月日: 20130114-20130116
• [学会発表] Lower Hybrid Current Drive Experiment on TST-2 (2013)
  • 著者名/発表者名: T. Wakatsuki
  • 学会等名: 1st A3 Foresight Workshop on Spherical Torus
  • 発表場所: Seoul National University, Korea
  • 年月日: 20130114-20130116
• [学会発表] JT-60SAにおけるトムソン散乱計測の開発 (2013)
  • 著者名/発表者名: 東條寛
  • 学会等名: 核融合エネルギーフォーラムプラズマ物理クラスター計測サブクラスター 会合
  • 発表場所: 核融合科学研究所
  • 年月日: 20130109-20130110
• [学会発表] Experimental results using a new dielectric loaded waveguide array antenna on TST-2 (2012)
  • 著者名/発表者名: T. Wakatsuki
  • 学会等名: Workshops on Physics and Technology of RF Heating of Fusion Plasmas
  • 発表場所: 奈良県立新公会堂
  • 年月日: 20121211-20121215
• [学会発表] Wave Measurements during Lower Hybrid Wave Injection using Radio Frequency Magnetic Probes on TST-2 (2012)
  • 著者名/発表者名: T. Shinya
  • 学会等名: Workshops on Physics and Technology of RF Heating of Fusion Plasmas
  • 発表場所: 奈良県立新公会堂
  • 年月日: 20121211-20121215
• [学会発表] A Lower Hybrid Traveling Wave Antenna (2012)
  • 著者名/発表者名: C. P. Moeller
  • 学会等名: Workshops on Physics and Technology of RF Heating of Fusion Plasmas
  • 発表場所: 奈良県立新公会堂
  • 年月日: 20121211-20121215
• [学会発表] Plasma Start-up Experiments Using the Lower Hybrid Wave Excited by a Dielectric Loaded Waveguide Array Antenna on the TST-2 Spherical Tokamak (2012)
  • 著者名/発表者名: T. Wakatsuki
  • 学会等名: GCOE International Symposium on Physical Sciences Frontier
  • 発表場所: Univ. Tokyo
  • 年月日: 20121208-20121209
• [学会発表] Floating Potential Measurement of RF Start-up Plasmas on the TST-2 Spherical Tokamak (2012)
  • 著者名/発表者名: H. Kakuda
  • 学会等名: GCOE International Symposium on Physical Sciences Frontier
  • 発表場所: Univ. Tokyo
  • 年月日: 20121208-20121209
• [学会発表] Development of An Advanced Thomson Scattering System on TST-2 Spherical Tokamak (2012)
  • 著者名/発表者名: J. Hiratsuka
  • 学会等名: GCOE International Symposium on Physical Sciences Frontier
  • 発表場所: Univ. Tokyo
  • 年月日: 20121208-20121209
• [学会発表] Double-pass Thomson scattering system on TST-2 spherical tokamak (2012)
  • 著者名/発表者名: J. Hiratsuka
  • 学会等名: 9th Australia-Japan Workshop on Plasma Diagnostics
  • 発表場所: 原子力機構那珂核融合研究所
  • 年月日: 20121203-20121206
• [学会発表] Development of a Thomson scattering diagnostic design for JT-60SA (2012)
  • 著者名/発表者名: H. Tojo
  • 学会等名: 9th Australia-Japan Workshop on Plasma Diagnostics
  • 発表場所: 原子力機構那珂核融合研究所
  • 年月日: 20121203-20121206
• [学会発表] TST-2 におけるプラズマ電流分布計測用の小型ロゴスキープローブ開発 (2012)
  • 著者名/発表者名: 古井宏和
  • 学会等名: プラズマ・核融合学会第29回年会
  • 発表場所: 春日市クローバープラザ
  • 年月日: 20121127-20121130
• [学会発表] TST-2球状トカマク装置におけるプラズマ周辺部乱流構造の計測 (2012)
  • 著者名/発表者名: 曽根原正晃
  • 学会等名: プラズマ・核融合学会第29回年会
  • 発表場所: 春日市クローバープラザ
  • 年月日: 20121127-20121130
• [学会発表] プラズマ輸送コードTOPICSを用いた、JT-60SAにおけるセンターソレノイドを用いないプラズマ立ち上げシナリオ解析 (2012)
  • 著者名/発表者名: 若月琢馬
  • 学会等名: プラズマ・核融合学会第29回年会
  • 発表場所: 春日市クローバープラザ
  • 年月日: 20121127-20121130
• [学会発表] Plasma Start-up Experiments Using the Lower Hybrid Wave Excited by a Dielectric Loaded Waveguide Array Antenna on the TST-2 Spherical Tokamak (2012)
  • 著者名/発表者名: T. Wakatsuki
  • 学会等名: 54th Annual Meeting of the APS Division of Plasma Physics
  • 発表場所: Providence, U.S.A.
  • 年月日: 20121029-20121103
• [学会発表] Observation of nonlinear phenomena of edge fluctuations in the TST-2 spherical tokamak (2012)
  • 著者名/発表者名: Y. Nagashima
  • 学会等名: 54th Annual Meeting of the APS Division of Plasma Physics
  • 発表場所: Providence, U.S.A.
  • 年月日: 20121029-20121103
• [学会発表] Measurements of lower-hybrid frequency spectra at the high-field and low-field side using probes in Alcator C-Mod (2012)
  • 著者名/発表者名: S. G. Baek
  • 学会等名: 54th Annual Meeting of the APS Division of Plasma Physics
  • 発表場所: Providence, U.S.A.
  • 年月日: 20121029-20121103
• [学会発表] World spherical torus (ST) research as coordinated by the IEA ST Implementing Agreement (IA) (2012)
  • 著者名/発表者名: M. Peng
  • 学会等名: 54th Annual Meeting of the APS Division of Plasma Physics
  • 発表場所: Providence, U.S.A.
  • 年月日: 20121029-20121103
• [学会発表] Non-inductive Plasma Initiation and Plasma Current Ramp-up on the TST-2 Spherical Tokamak (2012)
  • 著者名/発表者名: Y. Takase
  • 学会等名: 24th IAEA Fusion Energy Conference
  • 発表場所: San Diego, U.S.A.
  • 年月日: 20121008-20121013
• [学会発表] Development of Advanced Thomson Scattering System on TST-2 Spherical Tokamak (2012)
  • 著者名/発表者名: J. Hiratsuka
  • 学会等名: Japan-Korea Seminar 2012 for Plasma Diagnostics
  • 発表場所: Jeju, Korea
  • 年月日: 20120823-20120825
• [学会発表] Measurements of turbulent structure of edge plasma in the TST-2 spherical tokamak (2012)
  • 著者名/発表者名: M. Sonehara
  • 学会等名: Japan-Korea Seminar 2012 for Plasma Diagnostics
  • 発表場所: Jeju, Korea
  • 年月日: 20120823-20120825
• [学会発表] マルチパストムソン散乱計測における光学系と実現可能性の検討及び基礎実験 (2012)
  • 著者名/発表者名: 冨樫央
  • 学会等名: 第51回プラズマ若手夏の学校
  • 発表場所: 山形県たかみや瑠璃倶楽リゾート
  • 年月日: 20120820-20120823
• [学会発表] TST-2球状トカマクにおける200MHz帯周波数の高周波を用いた立ち上げプラズマの浮遊電位計測 (2012)
  • 著者名/発表者名: 角田英俊
  • 学会等名: 第9回核融合エネルギー連合講演会
  • 発表場所: 神戸国際会議場
  • 年月日: 20120628-20120629
• [学会発表] TST-2球状トカマクにおける誘電体充填型導波管列アンテナを用いた低域混成波によるプラズマ立ち上げ実験 (2012)
  • 著者名/発表者名: 若月琢馬
  • 学会等名: 第9回核融合エネルギー連合講演会
  • 発表場所: 神戸国際会議場
  • 年月日: 20120628-20120629
• [学会発表] TST-2における、低域混成波を用いた実験 でのピックアップコイルによる波動計測 (2012)
  • 著者名/発表者名: 新屋貴浩
  • 学会等名: 第9回核融合エネルギー連合講演会
  • 発表場所: 神戸国際会議場
  • 年月日: 20120628-20120629
• [図書] 球状トカマク研究の進展 －核融合エネルギー開発に向けて－ （小特集） (2012)
  • 著者名/発表者名: T. Maekawa
  • 総ページ数: 55
  • 出版者: プラズマ・核融合学会
• [備考] 科研費基盤(S) 低域混成波による球状トカマクプラズマの電流駆動
  • URL: http://fusion.k.u-tokyo.ac.jp/research/kakenhi_h22.html