2016 Fiscal Year Annual Research Report
トーラスプラズマのHモード輸送障壁形成の定量的研究
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16H02442
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| Research Institution | National Institute for Fusion Science |
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Principal Investigator |
伊藤 公孝 核融合科学研究所, ヘリカル研究部, 教授 (50176327)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
神谷 健作 国立研究開発法人量子科学技術研究開発機構, 那珂核融合研究所 先進プラズマ研究部, 上席研究員(定常) (60360426)
伊藤 早苗 九州大学, 応用力学研究所, 教授 (70127611)
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| Project Period (FY) |
2016-04-01 – 2021-03-31
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| Keywords | プラズマ乱流 / プラズマ構造相転移 / H-モード |
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| Outline of Annual Research Achievements |
この研究は、先進的プラズマ乱流物理学の成果に立脚し、核融合研究の高温磁場閉じ込めプラズマのH-モードの定量的モデル構築を目的とする。代表者らが創始した径電場分岐理論に立脚し、最新のマルチスケール乱流物理学を取り入れ、H-モード理論を完備する。電場曲率の重要性や遷移の時定数など、空間・時間の双方から国内外のトカマク実験と比較し、検証を行う。H-モードの輸送障壁の形成機構や構造の定量的モデルを提示し、核融合燃焼プラズマ研究や制御のための学理基盤を構築する事を目指す。
この目的に向けて、理論研究および実験的研究を進めて大きな成果を得た。バリア構造の理論を改革し、電場曲率の重要性を定量的に示した。乱流抑制への効果に関する評価式を研究し、電場勾配および電場曲率の双方を含む形に定式化する事に成功した。この式を用いれば、乱流輸送の抑制を実験で定量的に検証出来る事を示した 。その結果を用い、JT-60Uトカマクでの詳細電場計測実験結果にもとづき、乱流輸送の抑制を実験で定量的に検証した。その結果、輸送障壁を形成するために、電場曲率が本質的な役割りを果たしている事を具体的に示した。更に、代表者らが創始した径電場分岐理論の表式をJFT-2Mトカマクでの計測データに適用し、H-mode遷移の動力学を実験で検証する事に成功した。
さらに、周辺輸送障壁の遷移モデルとコアの輸送ヒステリシスとの統合を考えた。その研究に付随して、水素同位体効果の新しい説明の研究を開始した。fuelling fuels turbulenceという着想を得た。また、この研究の一環として、運動量輸送の理論を改良した。実験解析によるcross-bispectrumの重要性を総観した。波及効果としていくつかの不安定性への適用を進めた。
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| Current Status of Research Progress |
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、理論や実験による確認方法等の研究が大きく進んだ。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。例を挙げると、乱流輸送の抑制を実験で定量的に検証し電場曲率が本質的な役割りを果たしている事を具体的に示したこと、また、代表者らが創始した径電場分岐理論の表式を用いH-モード遷移の動力学を実験で検証する事に成功した。これらを始め大きな成果が上がり、予想以上の成果が達成されたと自己評価する。
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| Strategy for Future Research Activity |
2016年度には、バリア構造の理論を開拓し、乱流輸送の抑制の検証法を構想した 。そして、遷移および乱流抑制の実験検証を進めた。計画は極めて順調に進展した。さらにコアのヒステリシスとの統合を考えた。その結果、水素同位体効果を理解する新しい手がかりを得た。そして粒子補給に伴う乱流駆動という新しい機構にかかわる新たな理論を構成した。
初年度のこれらの成果に立脚し、2017年度には、輸送障壁内の乱流輸送の研究を開拓する。大域的な過程を取り入れ、輸送障壁での乱流輸送の研究を開始する。コアプラズマで得られている輸送ヒステリシス（温度勾配と熱流束の関係式に現れるヒステリシス）を取り入れて、輸送障壁生成消滅の理論解析を試みる。輸送ヒステリシスを含む系の非線形伝播応答の理論式を多くの実験装置に適用し、非拡散的な速い応答の評価を進める。更にスケールの異なる揺動が共存する場合、多段階の遷移や、空間的に異なった位置での複数の障壁共存等、新たな時空構造が現れるとの着想を得たので、その解析を進め、実験検証の方法を検討する。こうした視点迄含め、輸送障壁構造の解析を取りまとめる。トロイダル流と粒子流束の干渉、トロイダル・ポロイダル流の干渉など、トロイダル流を含む干渉過程も考慮する研究を進める。最新乱流物理に立脚した径電流の表式をまとめ、輸送障壁構造の表式を得る。実験では、国際共同データ解析の活動を進め、リミットサイクル現象やH-モード遷移の精密観測などの解析を通じて電場分岐の駆動源を同定する研究を進める。さらに、乱流揺動の弾道的移送等の第一原理的な実験観測も詰める。大域的輸送法則を実験で検証するための基礎を作る。
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[Journal Article] Synchronization of Geodesic Acoustic Modes and Magnetic Fluctuations in Toroidal Plasmas2016
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, X. R. Duan
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Journal Title
Phys, Rev. Lett.
Volume: 117
Pages: 145002
DOI
Peer Reviewed / Int'l Joint Research / Acknowledgement Compliant
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[Journal Article] Observation of the inward propagation of spontaneous toroidal flow from the plasma boundary in LHD2016
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
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Journal Title
Physics of Plasmas
Volume: 23
Pages: 102309
DOI
Peer Reviewed / Acknowledgement Compliant
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