立体磁気軸ステラレータ装置による先進ヘリカルシステムの基盤研究

2013 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 24246152
• 研究機関: 東北大学
• 研究代表者: 北島 純男 東北大学, 工学(系)研究科(研究院), 准教授 (30161475)
• 研究分担者: 岡本 敦 東北大学, 工学(系)研究科(研究院), 助教 (50396793) ; 谷池 晃 神戸大学, 海事科学研究科(研究院), 准教授 (50283916)
• 研究期間 (年度): 2012-10-31 – 2016-03-31
• キーワード: プラズマ・核融合 / 高エネルギーイオン閉じ込め / 高ベータプラズマ

研究概要

本研究では、運転領域を拡大することにより立体磁気軸ステラレータ型の磁場配位の最適化の調査研究をするための、プラズマの高ベータ化と良好な高エネルギーイオン（アルファ粒子）閉じ込めの両立性研究基盤の確立を目指すことを目的とする。本年度は、前年度の調査結果、実験結果と、本研究の効率的な進展を踏まえて、既設電極バイアス実験用ターゲットプラズマ源の改造は行わずに、高周波電源による電極バイアス実験用ターゲットプラズマ源のプラズマ生成条件の調査とプラズマ源の設計製作に重点を置いた。プラズマ源の設計製作においては設計、製作が完了した段階にある。また、本学で開発された電極バイアス法を利用し、高密度で大きな径方向電場を持つプラズマ生成を目指した閉じ込め改善モード遷移条件の実験的調査も同時に進展させた。既設の低周波電源により、電極バイアス実験用ターゲットプラズマの放電条件を調査し、得られた結果を基にして、電子注入式電極バイアス法による閉じ込め改善モード遷移を利用した大きな径方向電場を持つプラズマ生成に成功した。径方向電場分布計測、蓄積エネルギー計測、磁場揺動計測、密度、ポテンシャル揺動計測、イオン温度計測、ポロイダル流計測に重点を置き、閉じ込め改善モード遷移条件の詳細化を進めた。イオン温度計測、ポロイダル流計測においては、前年度よりさらに高分解能化に成功した。さらに、高エネルギーイオン注入によるアルファ粒子閉じ込め性能の原理検証のために、水素吸蔵電極による逆電圧バイアス法の適応性の調査を開始した。既設の低周波電源による電極バイアス実験用ターゲットプラズマに水素吸蔵電極による逆電圧バイアス法を適用し、バイアス時の電極近傍でのプラズマの挙動を高速カメラにより撮影する事に成功した。得られた結果を基にして、得られた調査結果、実験結果を取りまとめて学会発表を行った。

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

高密度で大きな径方向電場を持つプラズマ生成を目指した目標においては、電極バイアス実験用ターゲットプラズマの放電条件を詳細に調査し、本学で開発された電子注入式電極バイアス法による電極バイアス法による閉じ込め改善モード遷移を利用して大きな径方向電場を持つプラズマ生成に成功している。また、遷移条件の調査においては、特に、径方向電場分布計測、蓄積エネルギー計測、磁場揺動計測、密度、ポテンシャル揺動計測、イオン温度計測、ポロイダル流計測に重点を置いて詳細調査した。イオン温度計測、ポロイダル流計測においては、前年度よりさらに絶対値計測の高分解能化に成功している。水素吸蔵電極による逆電圧バイアス法の適応性の調査においては、既設の低周波電源による電極バイアス実験用ターゲットプラズマに水素吸蔵電極による逆電圧バイアス法を適用し、バイアス時の電極近傍でのプラズマの挙動を高速カメラにより撮影する事に成功した。高周波電源による電極バイアス実験用ターゲットプラズマ源のプラズマ生成条件の調査とプラズマ源の設計製作においては、設計、製作が完了した段階にある。

今後の研究の推進方策

前年度の調査結果、実験結果と、本研究の効率的な進展を踏まえて、高周波電源による電極バイアス実験用ターゲットプラズマ源の実験的条件調査に重点を置く。また、本学で開発された電子注入式電極バイアス法、水素吸蔵電極による電極バイアス法による閉じ込め改善モード遷移を利用した高密度で大きな径方向電場を持つプラズマ生成の閉じ込め改善モード遷移条件の詳細調査を同時に進展させる。遷移条件の調査においては、特に蓄積エネルギー計測結果、磁場揺動計測結果、密度、ポテンシャル揺動計測結果、径方向電場分布計測結果、イオン温度計測結果、ポロイダル流計測結果に重点を置き、詳細化をはかる。高エネルギーイオン注入によるアルファ粒子閉じ込め性能の原理検証には、広範な電子温度電子密度領域における水素吸蔵電極による逆電圧バイアス法の適応性を調査する必要があるため、密度制御が容易な高周波電源によるプラズマをターゲットプラズマとし、水素吸蔵電極による逆電圧バイアス法により発生した高エネルギーイオンの特性を実験的に調査する。高エネルーイオン計測はグリッドエネルギーアナライザー、分光法等を使用する。

研究成果

• [雑誌論文] Bursting high frequency fluctuation observed in biased plasma on TU-Heliac (2014)
  • 著者名/発表者名: Koike, Satoshi; Kitajima, Sumio; Okamoto, Atsushi; Ishii, Keiichi; Sato, Yu; Tachibana, Jo; Oku, Toshihiro; Shimizu, Kosuke; Inagaki, Shigeru; Suzuki, Yasuhiro; Takahashi, Hiromi; Takayama, Masakazu
  • 雑誌名: Nuclear Fusion 巻: accepted ページ: accepted
  • DOI: accepted
  • 査読あり
• [雑誌論文] Bifurcation Phenomena in Poloidal Rotation in Tohoku University Heliac (2014)
  • 著者名/発表者名: Toshihiro OKU, Sumio KITAJIMA, Keiichi ISHII, Yu SATO, Jo TACHIBANA, Satoshi KOIKE, Kosuke SHIMIZU, Atsushi OKAMOTO, Hiromi TAKAHASHI, Masakazu TAKAYAMA andShigeru INAGAKI
  • 雑誌名: Plasma and Fusion Research 巻: in press ページ: in press
  • DOI: in press
  • 査読あり
• [雑誌論文] Development of a High CMRR Magnetic Probe for the Biased Plasma in TU-Heliac (2014)
  • 著者名/発表者名: Satoshi KOIKE, Sumio KITAJIMA, Atsushi OKAMOTO, Keiichi ISHII, Yu SATO, Jo TACHIBANA, Toshihiro OKU, Kosuke SHIMIZU, Shigeru INAGAKI, Yasuhiro SUZUKI, Hiromi TAKAHASHI and Masakazu TAKAYAMA
  • 雑誌名: Plasma and Fusion Research 巻: 9 ページ: 1202053-1 -2
  • DOI: 10.1585/pfr.9.1202053
  • 査読あり
• [雑誌論文] Development of in situ energetic ion injector for magnetically confined plasmas using hydrogen storage electrode (2014)
  • 著者名/発表者名: A. Okamoto, T. Oku, S. Koike, Y. Sato, K. Ishii, and S. Kitajima
  • 雑誌名: Review of Scientific Instruments 巻: 85 ページ: 02B302-1 -3
  • DOI: 10.1063/1.4825162
  • 査読あり
• [雑誌論文] Effects of roughness and temperature on low-energy hydrogen positive and negative ion reflection from silicon and carbon surfaces (2014)
  • 著者名/発表者名: N. Tanaka, S. Kato, T. Miyamoto, M. Nishiura, K. Tsumori, Y. Matsumoto, T. Kenmotsu, A. Okamoto, S. Kitajima, M. Sasao, M. Wada, and H. Yamaoka
  • 雑誌名: Review of Scientific Instruments 巻: 85 ページ: 02C311-1 -4
  • DOI: 10.1063/1.4855455
  • 査読あり
• [雑誌論文] Transition of poloidal viscosity by electrode biasing in the Large Helical Device (2013)
  • 著者名/発表者名: S. Kitajima, H. Takahashi, K. Ishii, Y. Sato, M. Kanno, J. Tachibana, A. Okamoto, M. Sasao, S. Inagaki, M. Takayama, S. Masuzaki, M. Shoji, N. Ashikawa, M. Tokitani, M. Yokoyama, Y. Suzuki, S. Satake, T. Ido, A. Shimizu, C. Suzuki, Y. Nagayama, T. Tokuzawa, K. Nishimura, T. Morisaki and the LHD Experiment Group
  • 雑誌名: Nuclear Fusion 巻: 53 ページ: 073014-1 -6
  • DOI: 10.1088/0029-5515/53/7/073014
  • 査読あり
• [学会発表] 東北大学ヘリアック装置における磁気島とポロイダルフローの相互作用 (2014)
  • 著者名/発表者名: 佐藤優, 北島純男, 石井啓一, 小池都司, 奥俊博, 岡本敦, 高山正和, 鈴木康浩, 横山雅之, 稲垣滋, 西村清彦, 高橋裕己
  • 学会等名: 日本物理学会第69回年次大会
  • 発表場所: 平塚
  • 年月日: 20140327-20140330
• [学会発表] 東北大学ヘリアック装置における電極バイアスプラズマ中での間欠的高周波揺動現象 (2014)
  • 著者名/発表者名: 小池都司, 石井啓一, 清水洸佑, 稲垣滋, 佐藤優, 立花丈, 奥俊博, 鈴木康浩, 高橋裕己, 高山正和, 岡本敦, 北島純男
  • 学会等名: 日本物理学会第69回年次大会
  • 発表場所: 平塚
  • 年月日: 20140327-20140330
• [学会発表] 東北大学ヘリアック装置におけるドップラー分光法を用いた閉じ込め改善モード遷移条件の調査 (2014)
  • 著者名/発表者名: 石井啓一, 奥俊博, 岡本敦, 佐藤優, 小池都司, 清水洸佑, 立花丈 ,稲垣滋, 高橋裕己, 鈴木康浩, 横山雅之, 高山正和, 北島純男
  • 学会等名: 日本物理学会第69回年次大会
  • 発表場所: 平塚
  • 年月日: 20140327-20140330
• [学会発表] Bifurcation Phenomena in Poloidal Rotation in Tohoku University Heliac (2013)
  • 著者名/発表者名: T. Oku, S. Kitajima, K. Ishii, Y. Sato, J. Tachibana, S. Koike, K. Shimizu, A. Okamoto, M. Takayama, S. Inagaki
  • 学会等名: 23rd International Toki Conference
  • 発表場所: Toki, Japan
  • 年月日: 20131118-20131121
• [学会発表] Magnetic fluctuation measurement of biased plasma using high sensitive magnetic probe in TU-Heliac (2013)
  • 著者名/発表者名: S. Koike, S. Kitajima, A. Okamoto, et al.
  • 学会等名: 14th International Workshop on H-mode Physics and Transport Barriers
  • 発表場所: Kasuga, Japan
  • 年月日: 20131001-20131003
• [学会発表] Study of transition phenomena based on poloidal ion viscosity using a biasing electrode in helical system (2013)
  • 著者名/発表者名: H. Takahashi, S. Kitajima, H. Utoh, et al.
  • 学会等名: 19th Int. Stellarator-Heliotron Workshop and 16th International RFP Workshop
  • 発表場所: Padova, Italy
  • 年月日: 20130916-20130920
  • 招待講演
• [学会発表] Electrode Biasing Experiment in Tohoku University Heliac (2013)
  • 著者名/発表者名: S. Kitajima, A. Okamoto, K. Ishii, et al.
  • 学会等名: 19th Int. Stellarator-Heliotron Workshop and 16th International RFP Workshop
  • 発表場所: Padova, Italy
  • 年月日: 20130916-20130920
• [学会発表] Experimental Study of Interaction between Magnetic Island and Poloidal Flow in TU-Heliac (2013)
  • 著者名/発表者名: Y. Sato, S. Kitajima, K. Ishii, et al.
  • 学会等名: 19th Int. Stellarator-Heliotron Workshop and 16th International RFP Workshop
  • 発表場所: Padova, Italy
  • 年月日: 20130916-20130920
• [学会発表] Development of In-Situ Energetic Ion Injector for Magnetically Confined Plasmas using Hydrogen Storage Electrode (2013)
  • 著者名/発表者名: A. Okamoto, T. Oku, S. Koike, Y. Sato, K. Ishii, and S. Kitajima
  • 学会等名: 15th International Conference on Ion Sources
  • 発表場所: Chiba, Japan
  • 年月日: 20130909-20130913
• [学会発表] Effects of Roughness and Temperature on Low-energy Hydrogen Ion Reflection from Silicon and Graphite Surfaces (2013)
  • 著者名/発表者名: Nozomi Tanaka, Shuichi Kato, Takahiro Miyamoto, Masaki Nishiura, Katsuyoshi Tsumori, Yoshikatsu Matsumoto, Takahiro. Kenmotsu, Atsushi Okamoto, Sumio Kitajima, Motoi Wada, Mamiko Sasao, and Hitoshi Yamaoka
  • 学会等名: 15th International Conference on Ion Sources
  • 発表場所: Chiba, Japan
  • 年月日: 20130909-20130913