プラズマ計測のための飛翔型プローブの開発

2013 年度 実施状況報告書

• 研究課題/領域番号: 24656559
• 研究機関: 九州大学
• 研究代表者: 花田 和明 九州大学, 応用力学研究所, 教授 (30222219)
• キーワード: 高温プラズマ計測 / 飛翔型プローブ / 熱入力

研究概要

平成２５年度は、平成２４年度に実施したセラミック球の落下実験でプラズマからの局所的な熱入力によりセラミック球が粉砕したことを受けて、ステンレス、タングステン２種類の金属球の落下実験を実施した。直径10mmのステンレス球を落下させたところ、プラズマの閉磁気面から十分に離れたところで発光することが確認された。このことから別の実験で予想されていた開磁気面に閉じ込められた高速のバナナ電子の存在が確認できた。落下球はプラズマから受けた力により軌道がそれて回収配管では回収できなかったが、実験終了後に落下球を回収して観察することができた。SEMによる観察で表面には明らかな溶損とダスト状の粒子の付着が観測された。また、ダイバータ板上に溶けたステンレスが直線的に付着していたためステンレス球がプラズマ中を通過した後、冷えるまでにダイバータ板上を転がったと考えられる。ダイバータ上に残留したステンレスと残りのステンレス球の質量から欠損した質量が5mgであることが分かった。落下した位置についていた跡からプラズマ中でステンレス球が受けた力を計算し、平均的に7mNの力を受けたことを確認した。この力を生み出した原因として、電磁力、融解による粒子放出の反作用、イオン流の運動量注入等について検討し、融解による粒子放出の反作用が力の方向や大きさの点で力を生み出す原因と考えられることが分かった。受けた力とステンレス球を融解させるために必要な入熱量から、電子密度と磁力線方向の速度の積として最少、4×10^19、最大値として7×10^20m-2s-1を得た。この値は電流密度として6-100A/m2に相当し、プラズマの断面積とプラズマ電流から評価した20kA/m2に比べて小さい。このことは、金属球の表面から蒸発した金属不純物がプラズマ内に混入し、プラズマ電流を減少させた可能性が示唆される。

現在までの達成度 (区分)

1: 当初の計画以上に進展している

理由

従来のプローブ測定のように電気信号を取り出してデータを得ることはできていないが、飛翔型であることの利点を活かして軌道や発光の状況から熱入力や力を評価してこれまで計測が困難であった高速電子密度と磁力線方向の速度の積を評価することに成功した。

今後の研究の推進方策

本実験の実施の困難さは、落下した金属球の回収ができていないことによる。今年度の実験でステンレス球とタングステン球で軌道のずれに大きな違いがないことから、電磁力ではなく、局所的な熱入力が原因だと同定されたため、次回以降の実験では落下球の回収が可能になると考えられる。回収が可能となれば繰り返し実験を行うことができるためデータ収集の効率も上がることが予測される。

研究成果

• [雑誌論文] Power balance estimation in long duration discharges on QUEST (2014)
  • 著者名/発表者名: Kazuaki Hanada, Hideki Zushi, Hiroshi Idei, Kazuo Nakamura, Masaki Ishiguro, Yoshihiko Nagashima, Makoto Hasegawa, Akihide Fujisawa
  • 雑誌名: Plasma Schience and Technology
  • 査読あり
• [雑誌論文] Cross-field motion of plasma blob-filaments and related particle flux in an open magnetic field line configuration on QUEST (2013)
  • 著者名/発表者名: Haiqing Liu, kazuaki hanada, Nobuhiro Nishino, Ryota Ogata, Masaki Ishiguro, X.Gao, hideki zushi, Kazuo Nakamura, Akihide Fujisawa, Hiroshi Idei, makoto hasegawa
  • 雑誌名: Journal of Nuclear Materials 巻: Vol.438 ページ: S513-S517
  • 査読あり
• [学会発表] QUESTにおけるECCDプラズマの硬X線計測 (2013)
  • 著者名/発表者名: 鈴川槙一郎，花田和明，田島西夜，図子秀樹，恩地拓己, 磯部光孝 ,藤澤彰英，中村一男，出射浩，永島芳彦，長谷川真，川崎昌二，中島寿年，東島亜紀，高瀬雄一，福山淳，御手洗修
  • 学会等名: プラズマ・核融合学会九州・沖縄・山口支部 第17回支部大会
  • 発表場所: 佐世保工業高等専門学校
  • 年月日: 20131221-20131222
• [学会発表] AXUVを用いたQUESTプラズマの振動解析 (2013)
  • 著者名/発表者名: 三浦 弘貴, 花田和明、図子秀樹、中村一男、藤澤彰英、出射浩、永島芳彦、長谷川真、中島寿年、川崎昌二、東島亜紀、御手洗修、前川孝、福山淳、高瀬雄一、江尻晶、福本直之、山口隆史、富樫央
  • 学会等名: プラズマ・核融合学会九州・沖縄・山口支部 第17回支部大会
  • 発表場所: 佐世保工業高等専門学校
  • 年月日: 20131221-20131222
• [学会発表] QUEST内の高周波プラズマにおけるプラズマ対向壁の熱負荷計測 (2013)
  • 著者名/発表者名: 濱田夏彦, 花田和明, 中村一男, 長谷川真, 徳永和俊, 御手洗修, 図子秀樹, 藤澤彰英, 出射浩, 永島芳彦, 川崎昌二, 中島寿年, 東島亜紀, 荒木邦明
  • 学会等名: プラズマ・核融合学会九州・沖縄・山口支部 第17回支部大会
  • 発表場所: 佐世保工業高等専門学校
  • 年月日: 20131221-20131222
• [学会発表] QUEST内のダスト計測 (2013)
  • 著者名/発表者名: 本田拓巳, 花田和明,吉田 直亮,図子秀樹,中村一男, 藤澤彰英, 出射浩, 永島芳彦,長谷川真,川崎昌二, 中島寿年, 東島亜紀
  • 学会等名: プラズマ・核融合学会九州・沖縄・山口支部 第17回支部大会
  • 発表場所: 佐世保工業高等専門学校
  • 年月日: 20131221-20131222
• [学会発表] QUESTにおける周辺プラズマのプローブ計測 (2013)
  • 著者名/発表者名: 下地貴弘, 花田和明, 図子秀樹, 出射浩, 藤澤彰英, 永島芳彦, 長谷川真, 中村一男, 東島亜紀, 川崎昌二, 中島寿年, 福山淳, 高瀬雄一
  • 学会等名: プラズマ・核融合学会九州・沖縄・山口支部 第17回支部大会
  • 発表場所: 佐世保工業高等専門学校
  • 年月日: 20131221-20131222
• [学会発表] QUESTにおける高周波電流駆動プラズマの硬X線計測 (2013)
  • 著者名/発表者名: 鈴川槙一郎，花田和明，田島西夜，図子秀樹，恩地拓己, 磯部光孝, 藤澤彰英，中村一男，出射浩，永島芳彦，長谷川真，川崎昌二，中島寿年，東島亜紀，高瀬雄一，福山淳，御手洗修
  • 学会等名: プラズマ・核融合学会 第30回年会
  • 発表場所: 東京工業大学大岡山キャンパス
  • 年月日: 20131203-20131206
• [学会発表] Two-Fluid MHD Equilibrium Considerations of Te/Ti >> 1, Collisionless Plasmas Sustained by RF Electron Heating (2013)
  • 著者名/発表者名: Y.K.M. Peng, A. Ishida, Y. Takase, A. Ejiri, N. Tsujii, T. Maekawa, M. Uchida, H. Zushi, K. Hanada, M. Hasegawa
  • 学会等名: 23rd International Toki Conference (ITC-23) “Large-scale Simulation and Fusion Science”
  • 発表場所: Toki City, Gifu, JAPAN
  • 年月日: 20131118-20131121
• [学会発表] Recent progress on non-inductive driven plasma start-up and investigation towards EBWCD on QUEST (2013)
  • 著者名/発表者名: Kazuaki Hanada
  • 学会等名: International Spherical Torus Workshop 2013
  • 発表場所: The King's Manor York, UK
  • 年月日: 20130916-20130919
  • 招待講演
• [学会発表] プラズマ長時間維持のためのプラズマ・壁相互作用 (2013)
  • 著者名/発表者名: 花田和明
  • 学会等名: RIAMフォーラム2013
  • 発表場所: 九州大学筑紫地区
  • 年月日: 20130606-20130607
• [学会発表] Power balance estimation in long duration discharges on QUEST (2013)
  • 著者名/発表者名: K.Hanada, H.Zushi, H.Idei, K.Nakamura, M.Ishiguro, S.Tashima, E.I.Kalinnikova, Y.Nagashima, M.Hasegawa, A.Fujisawa, A.Higashijima, S.Kawasaki, H.Nakashima, O.Mitarai3, T.Maekawa, A.Fukuyama, Y.Takase, X. Gao, H.Liu, J.Qian, M.Ono, R.Raman, M. Peng
  • 学会等名: A3 Foresight Program Workshop on Critical Physics Issues Specific to Steady State Sustainment of High-Performance Plasmas
  • 発表場所: Beijing, China
  • 年月日: 20130519-20130524
  • 招待講演
• [学会発表] Recent QUEST experiments on non-inductive current drive and plasma-wall interaction towards steady state operation of spherical tokamak (2013)
  • 著者名/発表者名: kazuaki hanada
  • 学会等名: 7th IAEA Technical Meeting on Steady-State Operation on Magnetic Fusion Devices
  • 発表場所: Aix en Provence, France
  • 年月日: 20130514-20130517
  • 招待講演