ストキャスティック磁場による高Z不純物遮蔽の定量評価と輸送モデルの検証

2015 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 25420893
• 研究機関: 核融合科学研究所
• 研究代表者: 小林 政弘 核融合科学研究所, ヘリカル研究部, 准教授 (30399307)
• 研究期間 (年度): 2013-04-01 – 2016-03-31
• キーワード: 核融合 / ストキャスティック磁場 / 不純物輸送 / 分光計測 / 数値シミュレーション

研究実績の概要

以下の研究成果が得られた。
１．分光およびボロメータから得られたそれぞれの不純物の2次元発光分布とシミュレーションの比較から、現行の輸送モデルでは、不純物の磁力線に垂直方向の輸送係数を過小評価していることが明らかになった。また、ダイバータ板以外の第一壁からの不純物の発生量が少なからずあることが示された。
２．外部摂動磁場を印加することにより、鉄およびヘリウム不純物の遮蔽がより効果的になることがわかった。これは以前に観測された炭素不純物の遮蔽効果と同様の結果である。摂動磁場によって周辺部のストキャスティック磁場領域が拡がり、遮蔽効果の促進につながったと考えられる。また今回の結果からこの効果が不純物種にほぼ依存しない効果であることもわかった。
３．2次元可視分光計測から、炭素不純物の磁力線方向の流れの2次元分布を得ることに成功した。流れはダイバータ板につながる磁力線の向きに強い相関があり、低密度プラズマではダイバータ板から閉じ込め領域の向きに、高密度の時はダイバータ板に向かって流れることがわかった。速度の絶対値としては～10000 m/sで、これは燃料粒子イオンのほぼ40～50%程度の速度に対応している。密度に対して流れの向きが変わることは、モデルでも予測されており、今後詳細な比較を進めることで磁力線方向の輸送モデルの検証が進むことが期待される。
４．不純物遮蔽について磁場構造、プラズマパラメータが大きく違う装置間で比較を行い、遮蔽に有効なパラメータとその運転領域の同定を行った。
以上の成果は、将来の核融合炉設計におけるダイバータの最適化にむけて、高Ｚ不純物の振る舞いを予測するための重要な知見であり、また同課題の更なる研究の足がかりを得ることができた。

研究成果

• [国際共同研究] マックスプランク研究所(ドイツ)
  • 国名: ドイツ
  • 外国機関名: マックスプランク研究所
• [国際共同研究] 西南物理研究所(中国)
  • 国名: 中国
  • 外国機関名: 西南物理研究所
• [国際共同研究] ウィスコンシン大学(米国)
  • 国名: 米国
  • 外国機関名: ウィスコンシン大学
• [国際共同研究] カダラッシュ研究所(フランス)
  • 国名: フランス
  • 外国機関名: カダラッシュ研究所
• [雑誌論文] Dynamics of three-dimensional radiative structures during RMP assisted detached plasmas on the large helical device and its comparison with EMC3-EIRENE modeling (2016)
  • 著者名/発表者名: Shwetang N. Pandya, Byron J. Peterson, Masahiro Kobayashi, Katsumi Ida, Kiyofumi Mukai, Ryuichi Sano, Junichi Miyazawa, Hirohiko Tanaka, Suguru Masuzaki, Tsuyoshi Akiyama, Gen Motojima, Noriyasu Ohno, LHD Experiment Group
  • 雑誌名: Nuclear Fusion 巻: 56 ページ: 046002
  • DOI: doi:10.1088/0029-5515/56/4/046002
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] EMC3-EIRENE modelling of edge impurity transport in the stochastic layer of the large helical device compared with extreme ultraviolet emission measurements (2016)
  • 著者名/発表者名: Shuyu Dai, M. Kobayashi, G. Kawamura, S. Morita, H.M. Zhang, T. Oishi, Y. Feng, D.Z. Wang, Y. Suzuki, the LHD Experimental Group
  • 雑誌名: Nuclear Fusion 巻: 56 ページ: 066005
  • DOI: doi:10.1088/0029-5515/56/6/066005
  • 査読あり / 国際共著 / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] EMC3-EIRENE simulation of impurity transport in comparison with EUV emission measurements in the stochastic layer of LHD: Effects of force balance and transport coefficients (2016)
  • 著者名/発表者名: S. Y. Dai, M. Kobayashi, G. Kawamura, S. Morita, T. Oishi, H. M. Zhang, X. L. Huang, Y. Feng, D. Z. Wang, Y. Suzuki, the LHD experiment group
  • 雑誌名: Contributions to Plasma Physics 巻: 印刷中 ページ: 印刷中
  • 査読あり / 国際共著 / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Impact of 3D magnetic field structure on boundary and divertor plasmas in stellarator/heliotron devices (2015)
  • 著者名/発表者名: M. Kobayashi, Y. Feng, Y. Xu, F.L. Tabares, K. Ida, O. Schmitz, T.E. Evans, H. Frerichs, Y. Liang, A. Bader, K. Itoh, H. Yamada, Ph. Ghendrih, G. Ciraolo, D. Tafalla, A. Lopez-Fraguas, H.Y. Guo, Z.Y. Cui, D. Reiter, N. Asakura, U. Wenzel, S. Morita, N. Ohno, B.J. Peterson, S. Masuzaki
  • 雑誌名: Journal of Nuclear Materials 巻: 463 ページ: 2-10
  • DOI: http://dx.doi.org/10.1016/j.jnucmat.2015.01.011
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] 3D effects of edge magnetic field configuration on divertor/scrape-off layer transport and optimization possibilities for a future reactor (2015)
  • 著者名/発表者名: M. Kobayashi, Y. Xu, K. Ida, Y. Corre, Y. Feng, O. Schmitz, H. Frerichs, F.L. Tabares, T.E. Evans, J.W. Coenen, Y. Liang, A. Bader, K. Itoh, H. Yamada, Ph. Ghendrih, G. Ciraolo, D. Tafalla, A. Lopez-Fraguas, H.Y. Guo, Z.Y. Cui, D. Reiter, N. Asakura, U. Wenzel, S. Morita, N. Ohno, B.J. Peterson and S. Masuzaki
  • 雑誌名: Nuclear Fusion 巻: 55 ページ: 104021
  • DOI: doi:10.1088/0029-5515/55/10/104021
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Effect of neutral hydrogen on edge impurity behavior in stochastic magnetic field layer of Large Helical Device (2015)
  • 著者名/発表者名: S. Morita, M. Kobayashi, T. Oishi, H.M. Zhang, M. Goto, Z.Y. Cui, C.F. Dong, L.Q. Hu, X.L. Huang, G. Kawamura, S. Masuzaki, I. Murakami, E.H. Wang
  • 雑誌名: Journal of Nuclear Materials 巻: 463 ページ: 644-648
  • DOI: http://dx.doi.org/10.1016/j.jnucmat.2014.12.055
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Evaluation of Poloidal Distribution from Edge Impurity Emissions Measured at Different Toroidal Positions in Large Helical Device (2015)
  • 著者名/発表者名: Hongming ZHANG, Shigeru MORITA, Tetsutarou OISHI, Masahiro KOBAYASHI, Motoshi GOTO, Xianli HUANG
  • 雑誌名: Plasma and Fusion Research 巻: 10 ページ: 3402038
  • DOI: DOI: 10.1585/pfr.10.3402038
  • 査読あり
• [学会発表] Relation between hydrogen/impurity emission distributions and stochastic magnetic field structure in LHD (2015)
  • 著者名/発表者名: 小林政弘、森田繁、後藤基志、佐野竜一、ピーターソン・バイロン、ＬＨＤ実験グループ
  • 学会等名: 第32回プラズマ・核融合学会 年会
  • 発表場所: 名古屋大学東山キャンパス･豊田講堂
  • 年月日: 2015-11-24 – 2015-11-27
• [学会発表] Relation between impurity/hydrogen emissions and edge stochastic magnetic structure at detachment transition observed in LHD divertor region (2015)
  • 著者名/発表者名: M. Kobayashi, S. Morita, M. Goto, R. Sano, B.J. Peterson, the LHD experiment group
  • 学会等名: 20th International Stellarator-Heliotron Workshop
  • 発表場所: Greifswald, Germany
  • 年月日: 2015-10-05 – 2015-10-09
  • 国際学会
• [学会発表] Effects of stochastic magnetic boundaries on divertor optimizations (2015)
  • 著者名/発表者名: M. Kobayashi
  • 学会等名: 1st IAEA Technical Meeting on Divertor Concepts
  • 発表場所: IAEA Headquarters, Vienna, Austria
  • 年月日: 2015-09-29 – 2015-10-02
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Transport and exhaust in helical divertors (2015)
  • 著者名/発表者名: M. Kobayashi, S. Masuzaki, G. Motojima, M. Tokitani, M. Shoji, H. Tanaka, T. Morisaki, the LHD experiment group
  • 学会等名: 597th Wilhelm and Else Heraeus Seminar, Stochasticity in Fusion Plasmas
  • 発表場所: Physikzentrum Bad Honnef, Germany
  • 年月日: 2015-09-10 – 2015-09-12
  • 国際学会 / 招待講演