非平衡プラズマの強相関乱流

2016 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 15H02155
• Research Institution: Kyushu University
• Principal Investigator: 伊藤 早苗 九州大学, 応用力学研究所, 教授 (70127611)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 小菅 佑輔 九州大学, 応用力学研究所, 准教授 (00700296) ; 小林 達哉 核融合科学研究所, ヘリカル研究部, 助教 (30733703) ; 伊藤 公孝 核融合科学研究所, ヘリカル研究部, 教授 (50176327)
• Project Period (FY): 2015-04-01 – 2020-03-31
• Keywords: プラズマ乱流 / 複数駆動源 / 強相関

Outline of Annual Research Achievements

はじめの２年が経過し、強相関乱流の性質や、特徴的非線形過程、その実験による確認法等の成果が大きく進んだ。それらを踏まえ、本研究計画の中間とりまとめや研究の方向性の整理・提案としての性質も持つ「cross-bispectrumに着目した実験研究法」のレビューをまとめた。
圧力勾配駆動揺動や、平行流駆動揺動の複数が共存・競合する過程について研究を進め、状態の選択条件や、形成構造を明らかにした。
更に多種の揺動駆動源の共存する場合を考察し、一般化を推進した。一つのアプローチは、圧力勾配と平行流勾配に加え、高速イオンという駆動源が加わる状況を考える。その一歩として、高速イオン駆動GAM(geodesic acoustic mode:測地線音波)による運動量輸送という新たな機構を解析した。また、電子温度勾配の揺動励起効果も導入し検討している。原子・分子密度の揺らぎと結合した乱流駆動のアイデアを得て、原子・分子・プラズマ系乱流の研究を創始した。
具体的な実験観測の理解への適用も積極的に行った。圧力勾配と流れの勾配の共存状態として典型的なものが輸送障壁である。その共存状態の分岐現象として、改善閉じ込め状態を理論的に研究した。理論モデルの実験検証も進めた。強相関乱流の物理学の応用例として、輸送関係に現れたヒステリシスの研究も進めた。加熱の変化に対し，異なった時定数を持つ複数の機構が共存するため、プラズマの応答が複数の時定数を示す、という過程について考察を開始した。また、非線形発展の典型例として突発現象に新しい描像を提示した。
これらについて、2016年度に約30編の原著論文（査読済み）を出版し、成果を世界に発信した。

Current Status of Research Progress

1: Research has progressed more than it was originally planned.

Reason

平成28年度までに、「研究実績の概要」に説明したように、強相関乱流の性質や実験による確認方法等の研究が大きく進んだ。これら研究目的の中心をなすテーマについて大きな進展が得られるとともに、当初予想もされていなかった研究テーマについて進展が生まれた。具体的には、非平衡性の特徴を、多種の勾配と流れの共存という視点に留まらず、外部からの供給源を含むものとして拡張する着想も得ていた。その展開として、外部加熱に留まらず、粒子補給がもたらす揺動励起という（従来考えられていなかった）新規な過程の重要性を指摘する事に成功した。以上のような研究進展から判断し、予想以上の成果が達成されたと自己評価する。

Strategy for Future Research Activity

前年度までの成果に立脚し、当初計画に従い、3種類以上の駆動源も視野に入れた複数の揺動や流れの干渉と競合、実空間での非線形散逸率の理論と実験との比較、粒子や運動量の流束の観測と因果関係の検定、などの課題に研究を進める。非平衡性の特徴を、多種の勾配と流れの共存という視野から研究してきたが、それに留まらず、外部からの供給源（外部加熱や粒子補給）を含むべく拡張する試みにも着手する。
強相関乱流を考察するための切り口として、密度勾配や磁場方向流れ場勾配が駆動する揺動（ドリフト波やD’ Angeloモード）、そしてメソスケールやマクロスケールをもつ揺動が混在する多スケール乱流が発達する状態を対象に、理論研究を展開する。状態の遷移や選択則を、流れのトポロジカルインデックス(ひいては構造のそれ)等の形式に定式化することにも着手する。
実験では、基礎実験装置PANTAや乱流計測シミュレータを活用する。平行流れ場を取り入れたコードにより、実験観測への応用を進める。PANTA実験では電場・密度・速度の揺動の同時大域計測を進める。３次元空間多点計測を行い、揺動間の位相差を評価し、周波数および空間のなかで、ドリフト波揺動やD’ Angeloモード揺動の棲み分けや競合を解明する。こうした理解を大型閉じ込め実験装置での実験観測の解析に応用する。
理論・実験等について得られた成果を取りまとめ、順次論文を出版する。平成29年度に開催されるAsia Pacific Transport Working Group会議、ヨーロッパ物理学会（EPS DPP 2017）、H-モードワークショップ、等の国際会議にて成果を発表する。併せて、日中共同データ解析ワークショップを始め国際的な研究打ち合わせを行う。

Research Products

• [Int'l Joint Research] Southwestern Institute of Physics/Zhejiang University/Dalian University(China)
  • Country Name: China
  • Counterpart Institution: Southwestern Institute of Physics/Zhejiang University/Dalian University
• [Int'l Joint Research] Lorraine University/CEA(France)
  • Country Name: France
  • Counterpart Institution: Lorraine University/CEA
• [Int'l Joint Research] UCSD/GA(米国)
  • Country Name: U.S.A.
  • Counterpart Institution: UCSD/GA
• [Int'l Joint Research] Max-Planck-institute for Plasma Physics/Technische Univ. Munchen(Germany)
  • Country Name: Germany
  • Counterpart Institution: Max-Planck-institute for Plasma Physics/Technische Univ. Munchen
• [Int'l Joint Research] CIEMAT(Spain)
  • Country Name: Spain
  • Counterpart Institution: CIEMAT
• [Int'l Joint Research]
  • # of Other Countries: 1
• [Journal Article] On the Application of Cross Bispectrum and Cross Bicoherence (2017)
  • Author(s): Sanae-I. ITOH, Kimitaka ITOH, Yoshihiko NAGASHIMA and Yusuke KOSUGA
  • Journal Title: Plasma and Fusion Research: Review Article Volume: 12 Pages: 1101003-1-9
  • DOI: 10.1585/pfr.12.1101003
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Zonal flow generation in parallel flow shear driven turbulence (2017)
  • Author(s): Kosuga Y.、Itoh S.-I.、Itoh K.
  • Journal Title: Physics of Plasmas Volume: 24 Pages: 032304-1-7
  • DOI: 10.1063/1.4978485
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Role of phase space structures in collisionless drift wave turbulence and impact on transport modeling (2017)
  • Author(s): Kosuga Y.、Itoh S.-I.、Diamond P.H.、Itoh K.、Lesur M.
  • Journal Title: Nuclear Fusion Volume: 57 Pages: 072006-1-11
  • DOI: 10.1088/1741-4326/57/7/072006
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Transport hysteresis of core plasma, isotope effect, and H-mode physics (2017)
  • Author(s): S.-I. Itoh, K. Itoh and S. Inagaki
  • Journal Title: Nuclear Fusion Volume: 57 Pages: 022003-1-8
  • DOI: 10.1088/0029-5515/57/2/022003
  • Peer Reviewed / Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] On the width of a pedestal in the H-mode (2017)
  • Author(s): K. Itoh, S.-I. Itoh, K. Kamiya and T. Kobayashi
  • Journal Title: Nuclear Fusion Volume: 57 Pages: 022005-1-5
  • DOI: 10.1088/0029-5515/57/2/022005
  • Peer Reviewed / Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] Toroidal momentum channeling of geodesic acoustic modes driven by fast ions (2017)
  • Author(s): M. Sasaki, N. Kasuya, K. Itoh, Y. Kosuga, M. Lesur, K. Hallatschek and S.-I. Itoh
  • Journal Title: Nuclear Fusion Volume: 57 Pages: 036025-1-6
  • DOI: 10.1088/1741-4326/aa4eb4
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research / Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] Model validation for radial electric field excitation during L-H transition in JFT-2M tokamak (2017)
  • Author(s): T. Kobayashi, K. Itoh, T. Ido, K. Kamiya, S.-I. Itoh, Y. Miura, Y. Nagashima, A. Fujisawa, S. Inagaki, K. Ida and K. Hoshino
  • Journal Title: Nuclear Fusion Volume: 57 Pages: 072005-1-8
  • DOI: 10.1088/1741-4326/aa5d03
  • Peer Reviewed / Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] A simple model for electron dissipation in trapped ion turbulence (2017)
  • Author(s): M. Lesur, T. Cartier-Michaud, T. Drouot, P. H. Diamond, Y. Kosuga, T. R´eveill´e, E. Gravier, X. Garbet, S.-I. Itoh and K. Itoh
  • Journal Title: Physics of Plasmas Volume: 24 Pages: 012511-1-9
  • DOI: 10.1063/1.4974269
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research / Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] Phenomenological classification of turbulence states in linear magnetized plasma PANTA (2017)
  • Author(s): T. Kobayashi, S. Inagaki, M. Sasaki, Y. Kosuga, H. Arakawa, F. Kin, T. Yamada, Y. Nagashima, N. Kasuya, A. Fujisawa, S.-I. Itoh and K. Itoh
  • Journal Title: Plasma and Fusion Research Volume: 印刷中 Pages: 印刷中
  • Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] Reconstruction of high temporal resolution Thomson scattering data during a modulated electron cyclotron resonance heating using conditional averaging (2016)
  • Author(s): T. Kobayashi, K. Ida, K. Itoh, M. Yoshinuma, C. Moon, S. Inagaki, I. Yamada, H. Funaba, R. Yasuhara, S. Ohdachi, Y. Yoshimura, H. Igami, T. Shimozuma, S. Kubo, T. I. Tsujimura and LHD experiment group
  • Journal Title: Review of Scientific Instruments Volume: 87 Pages: 043505-1-4
  • DOI: 10.1063/1.4945258
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research / Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] Improvement of the Reynolds stress probe for end-plate biasing experiment in a cylindrical laboratory plasma (2016)
  • Author(s): T. Kanzaki, Y. Nagashima, S. Inagaki, F. Kin, Y. Miwa, M. Sasaki, T. Yamada, A. Fujisawa, T. Kobayashi, N. Kasuya, Y. Kosuga, S.-I. Itoh and K. Itoh
  • Journal Title: Plasma and Fusion Research Volume: 11 Pages: 1201091-1-3
  • DOI: 10.1585/ pfr.11.1201091
  • Peer Reviewed / Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] On the Origin of Steep and Localized Radial Electric Field in the Transport Barrier at Plasma Edge (2016)
  • Author(s): K. Itoh, S.-I. Itoh, T. Kobayashi, K. Kamiya, T. Ido, T. Tokuzawa, S. Inagaki and N. Kasuya
  • Journal Title: Contributions to Plasma Physics Volume: 56 Pages: 522-527
  • DOI: 10.1002/ctpp.201610042
  • Peer Reviewed / Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] Turbulence Dynamics with the Coupling of Density Gradient and Parallel Velocity Gradient in the Edge Plasmas (2016)
  • Author(s): Y. Kosuga, S.-I. Itoh and K. Itoh
  • Journal Title: Contributions to Plasma Physics Volume: 56 Pages: 511-515
  • DOI: 10.1002/ctpp.201610047
  • Peer Reviewed / Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] Experimental validation of non-uniformity effect of the radial electric field on the edge transport barrier formation in JT-60U H-mode plasmas (2016)
  • Author(s): K. Kamiya, K. Itoh and S.-I. Itoh
  • Journal Title: Scientific Reports Volume: 6 Pages: 30585-1-7
  • DOI: 10.1038/srep30585
  • Peer Reviewed / Open Access / Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] Experimental Identification of Electric Field Excitation Mechanisms in a Structural Transition of Tokamak Plasmas (2016)
  • Author(s): T. Kobayashi, K. Itoh, T. Ido, K. Kamiya, S.-I. Itoh, Y. Miura, Y. Nagashima, A. Fujisawa, S. Inagaki, K. Ida and K. Hoshino
  • Journal Title: Scientific Reports Volume: 6 Pages: 30720-1-7
  • DOI: 10.1038/srep30720
  • Peer Reviewed / Open Access / Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] Ion internal transport barrier in neutral beam heated plasmas on HL-2A (2016)
  • Author(s): D.L. Yu, Y.L. Wei, L. Liu, J.Q. Dong, K. Ida, K. Itoh, A.P. Sun, J.Y. Cao, Z.B. Shi, Z.X. Wang, Y. Xiao, B.S. Yuan, H.R. Du, X.X. He, W.J. Chen, Q. Ma, S.-I. Itoh, K.J. Zhao, Y. Zhou, J. Wang, X.Q. Ji, W.L. Zhong, Y.G. Li, J.M. Gao, W. Deng, Yi Liu, Y. Xu, L.W. Yan, Q.W. Yang, X.T. Ding, X.R. Duan, Yong Liu
  • Journal Title: Nuclear Fusion Volume: 56 Pages: 056003-1-3
  • DOI: 10.1088/0029-5515/56/5/056003
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research / Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] Hydrogen isotope effect on the Dimits shift (2016)
  • Author(s): S.-I. Itoh and K. Itoh
  • Journal Title: Nuclear Fusion Volume: 56 Pages: 106028-1-6
  • DOI: 10.1088/0029-5515/56/10/106028
  • Peer Reviewed / Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] On Magnetic Signals of a Large-Scale Quasi-electrostatic Perturbation (2016)
  • Author(s): K. Itoh, S.-I. Itoh, K. Ida and Y. Kosuga
  • Journal Title: Journal of the Physical Society of Japan Volume: 85 Pages: 094504-1-4
  • DOI: 10.7566/JPSJ.85.094504
  • Peer Reviewed / Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] Effects of radial electric field on suppression of electron-temperature-gradient mode through multiscale nonlinear interactions (2016)
  • Author(s): C. Moon, T. Kaneko, K. Itoh, K. Ida, T. Kobayashi, S. Inagaki, S.-I. Itoh and R. Hatakeyama
  • Journal Title: Plasma Physics and Controlled Fusion Volume: 58 Pages: 105007-1-6
  • DOI: 10.1088/0741-3335/58/10/105007
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research / Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] Eddy, drift wave and zonal flow dynamics in a linear magnetized plasma (2016)
  • Author(s): H. Arakawa, S. Inagaki, M. Sasaki, Y. Kosuga, T. Kobayashi, N. Kasuya, Y. Nagashima, T. Yamada, M. Lesur, A. Fujisawa, S. -I. Itoh and K. Itoh
  • Journal Title: Scientific Reports Volume: 6 Pages: 33371-1-7
  • DOI: 10.1038/srep33371
  • Open Access / Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] Synchronization of Geodesic Acoustic Modes and Magnetic Fluctuations in Toroidal Plasmas (2016)
  • Author(s): K. J. Zhao, Y. Nagashima, P. H. Diamond, J. Q. Dong, K. Itoh, S.-I. Itoh, L. W. Yan, J. Cheng, A. Fujisawa, S. Inagaki, Y. Kosuga, M. Sasaki, Z.X. Wang, L. Wei, Z. H. Huang, D.L. Yu, W. Y. Hong, Q. Li, X. Q. Ji, X. M. Song,Y. Huang, Yi. Liu, Q. W. Yang, X. T. Ding and X. R. Duan
  • Journal Title: Physical Review Letters Volume: 117 Pages: 145002-1-6
  • DOI: 10.1103/PhysRevLett.117.145002
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research / Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] A branch of energetic-particle driven geodesic acoustic modes due to magnetic drift resonance (2016)
  • Author(s): M. Sasaki, N. Kasuya, K. Hallatschek, K. Itoh, Y. Kosuga and S.-I. Itoh
  • Journal Title: Physics of Plasmas Volume: 23 Pages: 102501-1-7
  • DOI: 10.1063/1.4963397
  • Peer Reviewed / Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] Observation of the inward propagation of spontaneous toroidal flow from the plasma boundary in LHD (2016)
  • Author(s): K. Kamiya, K. Ida, K. Itoh, S.-I. Itoh, M. Yoshinuma, M. Yokoyama, S. Kubo, H. Tsuchiya, N. Tamura, S. Masuzaki, C. Suzuki, T. Akiyama and LHD experiment group
  • Journal Title: Physics of Plasmas Volume: 23 Pages: 102309-1-5
  • DOI: 10.1063/1.4965908
  • Peer Reviewed / Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] Structure formation in parallel ion flow and density profiles by cross-ferroic turbulent transport in linear magnetized plasma (2016)
  • Author(s): T. Kobayashi, S. Inagaki, Y. Kosuga, M. Sasaki, Y. Nagashima, T. Yamada, H. Arakawa, N. Kasuya, A. Fujisawa, S.-I. Itoh and K. Itoh
  • Journal Title: Physics of Plasmas Volume: 23 Pages: 102311-1-9
  • DOI: 10.1063/1.4965915
  • Peer Reviewed / Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] Abrupt onset of tongue deformation and phase space response of ions in magnetically-confined plasmas (2016)
  • Author(s): K. Ida, T. Kobayashi, K. Itoh, M. Yoshinuma, T. Tokuzawa, T. Akiyama, C. Moon, H. Tsuchiya, S. Inagaki and S.-I. Itoh
  • Journal Title: Scientific Reports Volume: 6 Pages: 36217-1-8
  • DOI: 10.1038/srep36217
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research / Acknowledgement Compliant
• [Presentation] 平行流れシアが駆動する乱流における対流胞 (2017)
  • Author(s): 小菅佑輔、伊藤早苗、伊藤公孝、佐々木真
  • Organizer: 日本物理学会第72回年次大会
  • Place of Presentation: 大阪大学（大阪府）
  • Year and Date: 2017-03-17 – 2017-03-20
• [Presentation] JFT-2MトカマクにおけるLH遷移時の電場形成の物理機構 (2016)
  • Author(s): 小林達哉, 伊藤公孝 井戸毅, 神谷健作, 伊藤早苗, 三浦幸俊, 永島芳彦, 藤澤彰英, 稲垣滋, 居田克巳, 星野克道
  • Organizer: 第33回プラズマ・核融合学会年会
  • Place of Presentation: 東北大学（宮城県）
  • Year and Date: 2016-11-29 – 2016-12-02
• [Presentation] Hysteresis and Fast Timescale in Transport Relation of Toroidal Plasmas (2016)
  • Author(s): K. Itoh, S.-I. Itoh, K. Ida, S. Inagaki, Y. Kamada, K. Kamiya, J. Q. Dong, C. Hidalgo, T. Evans, W. H. Ko, H. Park, T. Tokuzawa, S. Kubo, T. Kobayashi, Y. Kosuga, M. Sasaki, G. S. Yun, S. D. Song, N. Kasuya, Y. Nagashima, C. Moon, M. Yoshinuma, R. Makino, T. Tsujimura, H. Tsuchiya, U. Stroth
  • Organizer: 26th IAEA Fusion Energy Conference
  • Place of Presentation: 国立京都国際会館（京都府）
  • Year and Date: 2016-10-17 – 2016-10-22
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 磁場方向流れ場駆動乱流の波数スペクトル時間発展 (2016)
  • Author(s): 小菅佑輔、伊藤早苗、伊藤公孝
  • Organizer: 日本物理学会2016年秋季大会
  • Place of Presentation: 金沢大学（石川県）
  • Year and Date: 2016-09-13 – 2016-09-16
• [Presentation] Dimits shiftへの水素同位体効果 (2016)
  • Author(s): 伊藤早苗、伊藤公孝
  • Organizer: 日本物理学会2016年秋季大会
  • Place of Presentation: 金沢大学（石川県）
  • Year and Date: 2016-09-13 – 2016-09-16
• [Presentation] スケール混合と輸送障壁の構造 (2016)
  • Author(s): 伊藤公孝、伊藤早苗、小林達哉、神谷健作
  • Organizer: 日本物理学会2016年秋季大会
  • Place of Presentation: 金沢大学（石川県）
  • Year and Date: 2016-09-13 – 2016-09-16
• [Presentation] Role of granula,ons in phase space turbulence (2016)
  • Author(s): Y. Kosuga
  • Organizer: The 18th International Congress on Plasma Physics (ICPP 2016)
  • Place of Presentation: 台湾
  • Year and Date: 2016-06-27 – 2016-07-01
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Spatio-temporal dynamics of L-H transition - An advanced data analysis (2016)
  • Author(s): T. Kobayashi, K. Itoh, T.Ido, K. Kamiya, S.-I. Itoh, Y. Miura, Y. Nagashima, A. Fujisawa, S. Inagaki, K.Ida and K. Hoshino
  • Organizer: The 18th International Congress on Plasma Physics (ICPP 2016)
  • Place of Presentation: 台湾
  • Year and Date: 2016-06-27 – 2016-07-01
  • Int'l Joint Research / Invited