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

2014 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: 吉川 正志 筑波大学, 数理物質系, 准教授 (00272138) ; 庄司 主 核融合科学研究所, ヘリカル研究部 高密度プラズマ物理研究系, 准教授 (00280602) ; 市村 真 筑波大学, 数理物質系, 教授 (10151482) ; 坂本 瑞樹 筑波大学, 数理物質系, 教授 (30235189) ; 西野 信博 広島大学, 工学(系)研究科(研究院), 准教授 (70243590) ; 小林 進二 京都大学, エネルギー理工学研究所, 助教 (70346055) ; 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 / ダイバータ模擬実験 / 非接触プラズマ

研究実績の概要

平成26年度では、イオンサイクロトロン周波数帯（ICRF）の高周波によるプラズマ追加熱実験により端損失粒子束の大幅な増加に成功した。この実験では、GAMMA 10セントラル部の両端に設置されている極小磁場アンカー部への高周波追加熱とガス導入によって、10e14 cm-2の線密度のプラズマを生成し、それによって端部のイオン流束は、2倍以上に増加し10e23個/m2 sec台の粒子束密度を達成した。
また、ガンマ10タンデムミラー装置の西側端部に製作・設置したダイバータ模擬実験モジュール（Dモジュール）を用いた非接触プラズマ形成に向けた実験を精力的に進め、既に得られている水素及び希ガスの導入によるモジュール内のプラズマ密度上昇と放射冷却に伴う電子温度の低下の詳細な特性を調べた。この実験では、約150 eVの高イオン温度の端損失プラズマ流をモジュール内に導入し、水素ガスとキセノンガスを同時入射することによって、プラズマの非接触化の実験を行った。モジュール内に設置しているV字形のタングステン製ターゲットのコーナー部において計測したイオン束がガス導入により3％以下に低下していることが判り、非接触プラズマの形成を示唆する重要な兆候を得た。一方、静電プローブを用いた電子温度計測から当初20 eVであった電子温度が2-3 eVまで低下しており、不純物ガス入射による放射冷却効果が生じていることが明らかになった。更に高速カメラを用いたHα線発光の2次元イメージ計測からも、V字コーナー部での極端な減光からもプラズマの非接触化が認められた。
高エネルギー粒子ビームを用いたELM模擬研究では、平成26年度から製作を開始したイオンビームラインが完成し、イオン源の運転が開始された。約２ヶ月のコンディショニングによって、10 kV，3 Aのビーム引き出しに成功し、タングステン材からなる標的への試験照射実験を行った。

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

これまでの研究で、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ために、タンデムミラー装置端部から流出するプラズマの熱流束・粒子束の特性を調べることにより、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実証し、更に生成したプラズマ流束をダイバータ模擬実験装置内に導入し、水素ガスおよび希ガスを用いて放射冷却を促進させることにより、非接触プラズマ形成とその詳細な特性を調べることに成功した。また、ELM模擬の研究として進めてきた高エネルギーイオンビーム入射システムの構築も順調に進み、エネルギー 10 keV，電流値 2 A，パルス幅 2 msのイオンビーム引き出しに成功したことで、本研究課題を大きく進展させることができた。

今後の研究の推進方策

平成26年度に得られた結果を踏まえて、更に詳細な非接触プラズマの特性を調べると共に、高熱流束プラズマ流の生成に向けた研究を進める。平成26年度は、極小磁場アンカー部の密度を増加させる事による粒子束の向上を進めてきたが、今年度は、端損失を促進させるための磁場構造の最適化や電位形成による端損失への効果を調べてゆく。
非接触プラズマの特性解明では、様々な不純物ガスを用いた非接触化の効率について詳細に検証し、放射冷却の素過程について分光計測に基づいて調べてゆく。また、導入した不純物ガスが上流プラズマへ輸送（逆流）する過程についても不純物分光の測定結果に基づいて検証してゆく。
ビームを用いたELM模擬研究では、イオン源のコンディショニングを進め、最終的にはガンマ10装置端部からプラズマ中への入射を行い、プラズマとの相互作用についての知見を得る。併せて、プラズマ照射とビーム照射の同時照射実験を試み、両者の違いについて表面分析の観点から調べてゆく予定である。

次年度使用額が生じた理由

本年度の実験はほぼ順調に進んだことと、次年度に本研究課題で、多額の人件費の発生が予想されたため、研究に差し支えの無い範囲内で、研究費の使用を控えることにより次年度で必要となる消耗品や旅費等の研究費を確保することにした。

次年度使用額の使用計画

次年度は、人件費に約1,000,000円が必要と予想され、残りの予算を最終年度として必要な研究にかかる経費を適切に配分することを計画している。

研究成果

• [雑誌論文] Progress of divertor simulation research toward the realization of detached plasma using a large tandem mirror device (2015)
  • 著者名/発表者名: Y. Nakashima, H. Takeda, K. Ichimura, K. Hosoi, K. Oki, M. Sakamoto, M. Hirata, M. Ichimura, R. Ikezoe, T. Imai, M. Iwamoto, Y. Hosoda, I. Katanuma, T. Kariya, S. Kigure, J. Kohagura, R. Minami, T. Numakura, S. Takahashi, M. Yoshikawa, N. Asakura, M. Fukumoto, A. Hatayama, Y. Hirooka, S. Kado, et al.
  • 雑誌名: Journal of Nuclear Materials 巻: 463 ページ: 537-540
  • DOI: 10.1016/j.jnucmat.2014.12.063
  • 査読あり / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] RECENT RESULTS OF DIVERTOR SIMULATION EXPERIMENTS USING D-MODULE IN THE GAMMA 10/PDX TANDEM MIRROR (2015)
  • 著者名/発表者名: Y. Nakashima, M. Sakamoto, H. Takeda, K. Ichimura, Y. Hosoda, M. Iwamoto, K. Shimizu, K. Hosoi, K. Oki, M. Yoshikawa, M. Hirata, R. Ikezoe, T. Imai, T. Kariya, I. Katanuma, J. Kohagura, R. Minami, T. Numakura, X. Wang and M. Ichimura
  • 雑誌名: Journal of Fusion Science and Technologies 巻: 印刷中 ページ: 印刷中
  • 査読あり / 謝辞記載あり
• [学会発表] GAMMA 10/PDX エンド部における非接触プラズマ形成とその特性評価 (2014)
  • 著者名/発表者名: 中嶋洋輔
  • 学会等名: Plasma Conference 2014
  • 発表場所: 朱鷺メッセ 新潟
  • 年月日: 2014-11-18 – 2014-11-21
• [学会発表] GAMMA 10/PDXにおけるエンド領域を活用した水素リサイクリング実験 (2014)
  • 著者名/発表者名: 坂本瑞樹
  • 学会等名: Plasma Conference 2014
  • 発表場所: 朱鷺メッセ 新潟
  • 年月日: 2014-11-18 – 2014-11-21
  • 招待講演
• [学会発表] GAMMA 10/PDXアンカー部加熱実験におけるエンド部フラックス挙動の計測と数値計算による解析 (2014)
  • 著者名/発表者名: 市村和也
  • 学会等名: Plasma Conference 2014
  • 発表場所: 朱鷺メッセ 新潟
  • 年月日: 2014-11-18 – 2014-11-21
• [学会発表] GAMMA 10/PDXのダイバータ模擬実験モジュールにおけるデタッチメント実験時の電子温度・密度分布 (2014)
  • 著者名/発表者名: 大木健介
  • 学会等名: Plasma Conference 2014
  • 発表場所: 朱鷺メッセ 新潟
  • 年月日: 2014-11-18 – 2014-11-21
• [学会発表] 多流体コードを用いたGAMMA 10/PDX背景プラズマの数値解析 (2014)
  • 著者名/発表者名: 武田寿人
  • 学会等名: Plasma Conference 2014
  • 発表場所: 朱鷺メッセ 新潟
  • 年月日: 2014-11-18 – 2014-11-21
• [学会発表] GAMMA 10/PDX不純物ガス入射実験におけるプラズマへの追加熱が熱流に与える影響 (2014)
  • 著者名/発表者名: 岩元美樹
  • 学会等名: Plasma Conference 2014
  • 発表場所: 朱鷺メッセ 新潟
  • 年月日: 2014-11-18 – 2014-11-21
• [学会発表] Spatial distribution measurement of the detached plasma produced in the gas injection experiments of theGAMMA 10/PDX end-cell (2014)
  • 著者名/発表者名: 細田甚成
  • 学会等名: Plasma Conference 2014
  • 発表場所: 朱鷺メッセ 新潟
  • 年月日: 2014-11-18 – 2014-11-21
• [学会発表] GAMMA 10/PDXガス入射実験における衣接触プラズマ形成と不純物輸送の影響 (2014)
  • 著者名/発表者名: 清水啓太
  • 学会等名: Plasma Conference 2014
  • 発表場所: 朱鷺メッセ 新潟
  • 年月日: 2014-11-18 – 2014-11-21
• [学会発表] Development of Divertor Simulation Research in the GAMMA 10/PDX Tandem Mirror (2014)
  • 著者名/発表者名: Y. Nakashima
  • 学会等名: Fusion Energy Conference
  • 発表場所: St. Petersburg, Russia
  • 年月日: 2014-10-13 – 2014-10-18
• [学会発表] Development of Divertor Simulation Research in the GAMMA 10/PDX Tandem Mirror (2014)
  • 著者名/発表者名: Y. Nakashima
  • 学会等名: IAEA Fusion Energy Conference
  • 発表場所: St. Petersburg, Russia
  • 年月日: 2014-10-13 – 2014-10-18
• [学会発表] RECENT RESULTS OF DIVERTOR SIMULATION EXPERIMENTS USING D-MODULE IN THE GAMMA 10/PDX TANDEM MIRROR (2014)
  • 著者名/発表者名: Y. Nakashima
  • 学会等名: 10th Int. Conf. Open Magnetic Systems for Plasma Confinement
  • 発表場所: Daejeon Korea
  • 年月日: 2014-08-26 – 2014-08-29
  • 招待講演
• [学会発表] Present Status of GAMMA 10/PDX Project (2014)
  • 著者名/発表者名: M. Ichimura
  • 学会等名: 10th Int. Conf. Open Magnetic Systems for Plasma Confinement
  • 発表場所: Daejeon, Korea
  • 年月日: 2014-08-26 – 2014-08-29
  • 招待講演
• [学会発表] Electron temperature and density distributions in a divertor simulation exprimental module with gas injection in GAMMA 10/PDX (2014)
  • 著者名/発表者名: K. Oki
  • 学会等名: 10th Int. Conf. Open Magnetic Systems for Plasma Confinement
  • 発表場所: Daejeon, Korea
  • 年月日: 2014-08-26 – 2014-08-29
• [学会発表] Relation between electron density and temperatrue of divertor simulation plasma and upstream plasma in GAMMA 10/PDX (2014)
  • 著者名/発表者名: K. Nojiri
  • 学会等名: 10th Int. Conf. Open Magnetic Systems for Plasma Confinement
  • 発表場所: Daejeon, Korea
  • 年月日: 2014-08-26 – 2014-08-29
• [学会発表] Numerical simulation of plasma, neutral particles and impurity in the GAMMA 10 end-cell for divertor simulation experiment (2014)
  • 著者名/発表者名: H. Takeda
  • 学会等名: 10th Int. Conf. Open Magnetic Systems for Plasma Confinement
  • 発表場所: Daejeon, Korea
  • 年月日: 2014-08-26 – 2014-08-29
• [学会発表] Evaluation of ion temperature of divertor simulation plasma using a Langmuir probe in GAMMA 10/PDX (2014)
  • 著者名/発表者名: M. Yoshikawa
  • 学会等名: 10th Int. Conf. Open Magnetic Systems for Plasma Confinement
  • 発表場所: Daejeon, Korea
  • 年月日: 2014-08-26 – 2014-08-29
• [学会発表] Specreoscopic measurements in the expriments of gas injection to the divertor simulation experimental module of GAMMA 10/PDX (2014)
  • 著者名/発表者名: K. Shimizu
  • 学会等名: 10th Int. Conf. Open Magnetic Systems for Plasma Confinement
  • 発表場所: Daejeon, Korea
  • 年月日: 2014-08-26 – 2014-08-29
• [学会発表] Investigation of heat flux with calorimeter in the case of gas injection in the D-module of GAMMA 10/PDX (2014)
  • 著者名/発表者名: M. Iwamoto
  • 学会等名: 10th Int. Conf. Open Magnetic Systems for Plasma Confinement
  • 発表場所: Daejeon, Korea
  • 年月日: 2014-08-26 – 2014-08-29
• [学会発表] Study of the end-loss ion flux of GAMMA 10/PDX experiments with and additional ICRF wave (2014)
  • 著者名/発表者名: K. Ichimura
  • 学会等名: 10th Int. Conf. Open Magnetic Systems for Plasma Confinement
  • 発表場所: Daejeon, Korea
  • 年月日: 2014-08-26 – 2014-08-29
• [学会発表] Spatial distributio of H-alpha line intensit in front of the V-shaped target in GAMMA 10/PDX (2014)
  • 著者名/発表者名: A. Terakado
  • 学会等名: 10th Int. Conf. Open Magnetic Systems for Plasma Confinement
  • 発表場所: Daejeon, Korea
  • 年月日: 2014-08-26 – 2014-08-29
• [学会発表] Progress of divertor simulation research toward the realization of detached plasma using a large tandem mirror device (2014)
  • 著者名/発表者名: Y. Nakashima
  • 学会等名: 21st Int. Conf. Plasma Surface Interactions
  • 発表場所: Kanazawa, Japan
  • 年月日: 2014-05-26 – 2014-05-30