研究課題
磁場閉じ込め核融合プラズマにおいて、核融合反応によって生成されるアルファ粒子や加熱用中性粒子ビームといった高エネルギー粒子（energetic particle, EP）を良好に閉じ込めることは、加熱効率を向上させ、高性能炉心プラズマの生成・維持するために重要な課題である。本研究では、炉心プラズマ閉じ込めの劣化やプラズマ対向壁の損傷を引き起こすEP励起MHD不安定性を克服するため、電子サイクロトロン共鳴加熱・電流駆動(ECH/ECCD）や回転変換などの磁場配位パラメタといった外部制御が可能なアクチュエータを組み合わせることで大型実験装置や原型炉に外挿可能なEP励起MHD不安定性の制御手法を開発する。また、複数のアクチュエータによってEP励起MHD不安定性の励起・減衰の物理機構を明らかにし、EPが駆動する測地線音波モード（EGAM）によるバルクイオンの直接加熱を試みる。EP励起MHD不安定性の励起・減衰の物理過程を理解するためには、AEの空間構造を実験的に求めることが重要となる。今年度は、AEの空間構造の特性に合わせた局所揺動計測システムを開発した。巨視的アルヴェン固有モード（GAE）、ベータ駆動アルヴェン固有モード（BAE）といったAEはコアプラズマの広い領域にわたり励起されため、それらのモード計測のためにコアプラズマ領域の局所的な揺動計測が可能なECEラジオメータを開発した。また、高エネルギー粒子モード（EPM）はプラズマ周辺領域に局在的に励起されるため、周辺領域での空間構造計測に適しているマイクロ波反射計システムを開発した。
2: おおむね順調に進展している
EP励起MHD不安定性の励起・減衰の物理過程を理解するためには、AEの空間構造を実験的に求めることが重要となる。巨視的アルヴェン固有モード（GAE）、ベータ駆動アルヴェン固有モード（BAE）といったモード計測のために局所的な揺動計測が可能なECEラジオメータ、及び、マイクロ波反射計システムを開発する必要がある。今年度はこれらの計測システムの開発を行なった。ECEラジオメータについては、32チャンネルの狭帯域バンドパスフィルタ（0.5GHz）等を新たに構築できた。今後、フロントエンドとの組み合わせでラジオメータ全体のシステム試験を行う。反射計システムについては、周波数をステップ的にスキャンすることにより１ショットで周辺領域の径方向分布が計測可能なシステムを開発した。周波数帯域はO-band（24-40GHz）周波数帯域を選択することで、周辺領域をカバーすることが可能である。計測システムの開発はおおむね順調に進展しており、令和5年度はこれらのシステムの全体試験を行うとともに、プラズマ実験への適用を進める。
Heliotron J装置のシアーアルヴェンスペクトルは径方向に平坦であるため、コア領域で励起されるAEはGAEが主たるモードであり、周辺領域ではEPMであるが、磁気シア制御によりトカマクで主要なモードであるトロイダルアルヴェン固有モード（TAE）も励起される。プラズマ中心での磁場強度、プラズマ体積、磁気井戸を一定に保ちながら、回転変換と0.4から0.6まで変化させる等、シアーアルヴェンスペクトルを変化させ、励起されるAEの制御を行う。開発したECEラジオメータ、マイクロ波反射計システムを用いて、AEの径方向構造を計測するとともに、磁気プローブアレイを用いてトロイダルモード数、ポロイダルモード数を求める。第2高調波70GHz ECH/ECCD（400kW）と外部コイルによる磁場配位を組み合わせることによって、EP圧力分布、連続減衰、磁気シア、ランダウ減衰の各項の効果を切り分ける。Heliotron Jと磁場配位が異なるLHD装置、TJ-II装置、等で取得されたデータベースと比較し、連続減衰、磁気シア、ランダウ減衰の効果を明確化する。EP励起MHD不安定性の制御実験を行うとともに、実験によって得られたモード周波数・モード数及び径方向分布の特性に関する理論解析を進める。3次元磁場配位を考慮にいれたFAR3dコード等を用いたAE解析を行い、EP圧力、バルク圧力、回転変換依存性に関する実験結果と理論解析結果との比較を行う。大型装置や原型炉で予想されるプラズマパラメタを用いた理論解析を行い、本研究で開発した磁場配位、ECH/ECCDを用いた制御手法の外挿性を探る。自己燃焼維持のためにはイオンが加熱される必要があるため、その手法としてEP励起不安定性のひとつであるEGAMを用いて直接イオン加熱することを試みる。
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すべて 国際共同研究 (3件) 雑誌論文 (8件) (うち国際共著 4件、 査読あり 8件、 オープンアクセス 7件) 学会発表 (24件) (うち国際学会 4件、 招待講演 4件)
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