タンデムミラー端部及び高出力中性粒子ビームを用いたダイバータ・ＥＬＭ模擬研究

2013 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 24360378
• 研究機関: 筑波大学
• 研究代表者: 中嶋 洋輔 筑波大学, 数理物質系, 教授 (00188939)
• 研究分担者: 坂本 瑞樹 筑波大学, 数理物質系, 教授 (30235189) ; 吉川 正志 筑波大学, 数理物質系, 准教授 (00272138) ; 西野 信博 広島大学, 工学(系)研究科(研究院), 准教授 (70243590) ; 市村 真 筑波大学, 数理物質系, 教授 (10151482) ; 小林 進二 京都大学, エネルギー理工学研究所, 助教 (70346055) ; 庄司 主 核融合科学研究所, 大学共同利用機関等の部局等, 准教授 (00280602) ; 今井 剛 筑波大学, 数理物質系, 教授 (80354637)
• 研究期間 (年度): 2012-04-01 – 2016-03-31
• キーワード: プラズマ・核融合 / ダイバータ模擬

研究概要

平成25年度では、ガンマ10タンデムミラー装置西側端部において流出する端損失プラズマ流の高性能化（高粒子束密度の達成）を目指して、ガンマ10極小磁場アンカー部におけるイオンサイクロトロン周波数帯（ＩＣＲＦ）波動によるプラズマ追加熱の効果を検証した。同部において新たな波動励起用のアンテナが増設され、セントラル部においてＩＣＲＦにより生成・加熱されたプラズマの追加熱を試みられた。その結果、東アンカー部加熱時において同部のプラズマ線密度が3倍に増加し、それに伴いセントラル部密度も1.5倍に増加することが判った。これによって西側において端損失イオン流が約２倍に増加していることが判明し、アンカー部による高周波波動の追加熱が端部での粒子束密度の増加に極めて効果的であることを立証した。
また，セントラル部プラズマ密度と端損失粒子束密度との関係も調べられた。端部においてで計測されたイオン流束とミラー端部出口でプローブを用いて測定した粒子束密度の相関関係を調べることによって、両者はすでにセントラル部の密度に対し、線形的に増加することが判り、そのスケーリングから1.4×10の23乗個/平方メートルの粒子束密度が端部ミラー出口で生成されていることが判った。このことから，隣接するミラーセルにおけるプラズマ追加熱の有効性が示され，ICRFを用いた更なる高粒子束密度発生への明るい見通しを示すことが出来た。
昨年度より開始したＤモジュールを用いた本格的ダイバータ模擬実験では，水素及びアルゴンガスの導入により、大幅な密度の上昇と放射冷却によると思われる電子温度の減少を実現し、非接触プラズマ実現に向けて大きく前進した。特に最近のキセノンガスを用いた実験では、粒子束の10分の１以下の低下も観測しており、非接触プラズマ形成を示す結果も得られており、大きな進歩が得られた。

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

これまで、本研究の目的であるダイバータ実現に向けた未解決の諸問題を解決する為にタンデムミラー端部から流出するプラズマの特性を、熱流束、粒子流束の測定から調べ、ダイバータ模擬実験を進める上で十分な性能を有することを確認してきた。昨年度は、タンデムミラーの極小磁場部におけるプラズマ追加熱が端部におけるプラズマ性能の向上に効果的であることも実証した。また、生成した端損失プラズマ流を昨年度設置したダイバータ模擬実験装置内に導入し、本格的なダイバータ模擬実験を開始した。その結果ダイバータ部において重要な物理機構であるガス入射による放射冷却機構の解明と非接触プラズマ形成に向けた重要な成果が得られたことで、本研究課題が大きく進展させることが出来た。

今後の研究の推進方策

昨年度得られた結果を踏まえて、更に高熱流束のプラズマ流の発生に向けた研究を進める。昨年度は極小磁場アンカー部におけるＩＣＲＦを用いた追加熱をメインに進めてきたが、今年度は、端部に直結するプラグバリア部でのプラズマ追加熱実験を本格化し、端損失プラズマ流の高性能化を進める。これと共に、非接触プラズマ形成についての物理的メカニズムの解明を精力的に進めて行く。今年度は、様々なガスを用いて放射冷却の特性を詳細に調べ、非接触プラズマ形成の最適化パラメータの抽出を行って行く。また、昨年度より本格的に開始したもう一つの研究課題であるＥＬＭ模擬実験に向けた準備をさらに推し進める。今年度イオン源を用いたビームラインを完成させ、水素ビームの発生とその制御を行い、来年度にむけたプラズマ中への入射の準備を進めて行く。

次年度の研究費の使用計画

昨年度研究計画に従って、ダイバータ模擬実験に必要な経費執行を進めてきたが、少額の未使用残が発生した為、今年度へ繰り越すこととした。
今年度は、昨年度の残額を繰り込んで、当初の計画通り今年度のダイバータ模擬実験に必要な費用の充てると共に、ELM模擬に必要な粒子ビームラインの整備に必要な物品購入に使用を計画している。

研究成果

• [雑誌論文] Recent Results of Divertor Simulation Research Using an End-cell of a Large Tandem Mirror Device (2013)
  • 著者名/発表者名: Y. Nakashima, H. Takeda, K. Ichimura, K. Hosoi, M. Sakamoto, M. Hirata, M. Ichimura, R. Ikezoe, T. Imai, T. Ishii, T. Kariya, I. Katanuma, J. Kohagura, R. Minami, T. Numakura, H. Ueda, M. Yoshikawa, N. Asakura, T. Furuta, A. Hatayama, Y. Hirooka, S. Kado, S. Masuzaki, H. Matsuura, S. Nagata, N. Nishino, N. Ohno et al.
  • 雑誌名: Journal Nucl. Materials 巻: 438 ページ: S738-S741
  • 査読あり
• [雑誌論文] GAMMA 10/PDX Project Status and Future (2013)
  • 著者名/発表者名: T. Imai, M. Ichimura, Y. Nakashima. M. Sakamoto, I. Katanuma, M. Yoshikawa, T. Kariya, M. Hirata, J. Kohagura, R. Minami, T. Numakura, R. Ikezoe, K. Ooki, K. Sakamoto2 and GAMMA10 group
  • 雑誌名: Transactions of Fusion Science and Technology 巻: 63 ページ: 8-15
  • 査読あり
• [雑誌論文] FIRST RESULTS AND FUTURE RESEARCH PLAN OF DIVERTOR SIMULATION EXPERIMENTS USING D-MODULE IN THE END-CELL OF THE GAMMA 10/PDX TANDEM MIRROR (2013)
  • 著者名/発表者名: Y. Nakashima, M. Sakamoto, H. Takeda, K. Ichimura, K. Hosoi, K. Oki, M. Yoshikawa, N. Nishino, H. Matsuura, M. Hirata, M. Ichimura, T. Kariya, I. Katanuma, J. Kohagura, R. Minami, T. Numakura, R. Ikezoe, Y. Akabane, S. Kigure, Y. Nagatsuka, S. Takahashi, H. Ueda, and T. Imai
  • 雑誌名: Transactions of Fusion Science and Technology 巻: 63 ページ: 100-105
  • 査読あり
• [雑誌論文] Recent ICRF Heating Experiments for a Divertor Simulation Study on GAMMA 10 (2013)
  • 著者名/発表者名: M. Ichimura, M. Hirata, R. Ikezoe, T. Yokoyama, Y. Ugajin, T. Sato, T. Iimura, Y. Saito, Y. Annaka, A. Shiratani, M. Yoshikawa, J. Kohagura, Y. Nakashima, K. Ichimura and T. Imai
  • 雑誌名: Transactions of Fusion Science and Technology 巻: 63 ページ: 115-118
  • 査読あり
• [雑誌論文] Plasma Characterization in Divertor Simulation Experiments with a V-Shaped Target on GAMMA 10/PDX (2013)
  • 著者名/発表者名: M. Sakamoto, K. Oki, Y. Nakashima, Y. Akabane, Y. Nagatsuka, M. Yoshikawa, R. Nohara, K. Hosoi, H. Takeda, K. Ichimura, J. Kohagura, M. Yoshikawa, M. Ichimura, T. Imai
  • 雑誌名: Transactions of Fusion Science and Technology 巻: 63 ページ: 188-192
  • 査読あり
• [雑誌論文] Investigation of the Plasma Heating Effects on the End-Loss Ion Flux of the Tandem Mirror GAMMA 10 (2013)
  • 著者名/発表者名: K. Ichimura, Y. Nakashima, H. Takeda, K. Hosoi, H. Ueda, S. Kigure, S. Takahashi, M. Ichimura, R. Ikezoe, M. Yoshikawa, M. Sakamoto, and T. Imai
  • 雑誌名: Transactions of Fusion Science and Technology 巻: 63 ページ: 209-212
  • 査読あり
• [雑誌論文] Numerical Simulation Study for Background Plasma in the GAMMA 10 End-Mirror Cell (2013)
  • 著者名/発表者名: H. Takeda, Y. Nakashima, K. Hosoi, K. Ichimura, T. Furuta, M. Toma, A. Hatayama, H. Ueda, M. Yoshikawa, M. Sakamoto, M. Ichimura and T. Imai
  • 雑誌名: Transactions of Fusion Science and Technology 巻: 63 ページ: 414-416
  • 査読あり
• [学会発表] 大型タンデムミラー装置を用いたダイバータ模擬の為の大熱流束プラズマの発生と非接触プラズマ実現に向けた研究の進展 (2013)
  • 著者名/発表者名: 中嶋洋輔
  • 学会等名: プラズマ核融合学会第30回年会
  • 発表場所: 東京工業大学 東京
  • 年月日: 20131203-20131206
  • 招待講演
• [学会発表] GAMMA 10/PDXのガスパフ及び追加熱時におけるダイバータ模擬プラズマの電子温度・密度計測 (2013)
  • 著者名/発表者名: 大木健輔
  • 学会等名: プラズマ核融合学会第30回年会
  • 発表場所: 東京工業大学 東京
  • 年月日: 20131203-20131206
• [学会発表] GAMMA 10/PDX西エンド部でのD-moduleガス入射実験における分光計測 (2013)
  • 著者名/発表者名: 細田甚成
  • 学会等名: プラズマ核融合学会第30回年会
  • 発表場所: 東京工業大学 東京
  • 年月日: 20131203-20131206
• [学会発表] GAMMA 10/PDXにおけるダイバータ模擬プラズマへの希ガス導入時の静電プローブ計測 (2013)
  • 著者名/発表者名: 長塚 優
  • 学会等名: プラズマ核融合学会第30回年会
  • 発表場所: 東京工業大学 東京
  • 年月日: 20131203-20131206
• [学会発表] GAMMA 10/PDX実験におけるカロリーメーターを用いた熱流計測 (2013)
  • 著者名/発表者名: 岩元美樹
  • 学会等名: プラズマ核融合学会第30回年会
  • 発表場所: 東京工業大学 東京
  • 年月日: 20131203-20131206
• [学会発表] GAMMA 10E-Divプラズマにおける中性粒子効果のシミュレーション解析 (2013)
  • 著者名/発表者名: 武田寿人
  • 学会等名: プラズマ核融合学会第30回年会
  • 発表場所: 東京工業大学 東京
  • 年月日: 20131203-20131206
• [学会発表] Simulation of radiation cooling effects in the GAMMA 10 west end-cell using fluid model (2013)
  • 著者名/発表者名: H. Takeda
  • 学会等名: 14th Int. Workshop on Plasma Edge Theory in Fusion Devices
  • 発表場所: クラクフ ポーランド
  • 年月日: 20130923-20130925
• [学会発表] Recent results of high heat-flux generation experiments and development of research toward the realization of plasma detachment in the end-cell of GAMMA 10/PDX tandem mirror (2013)
  • 著者名/発表者名: Y. Nakashima
  • 学会等名: 4th Int. Workshop on Plasma Material Interaction Facilities for Fusion Research
  • 発表場所: オークリッジ国立研究所 米国
  • 年月日: 20130909-20130911
• [学会発表] Application of MPD arcjet plasma for divertor studies in GAMMA 10/PDX tandem mirror (2013)
  • 著者名/発表者名: K. Ichimura
  • 学会等名: 4th Int. Workshop on Plasma Material Interaction Facilities for Fusion Research
  • 発表場所: オークリッジ国立研究所 米国
  • 年月日: 20130909-20130911