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

2018 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 16H02442
• Research Institution: Chubu University
• Principal Investigator: 伊藤 公孝 中部大学, 総合工学研究所, 特任教授 (50176327)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 居田 克巳 核融合科学研究所, ヘリカル研究部, 教授 (00184599) ; 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, 協力研究員 (70127611) ; 佐々木 真 九州大学, 応用力学研究所, 助教 (70575919)
• Project Period (FY): 2016-04-01 – 2021-03-31
• Keywords: Hーモード / 輸送障壁モデル / 径電場分岐理論 / 多スケール乱流物理学 / 実験検証

Outline of Annual Research Achievements

昨年度までに、バリア構造のモデルを開拓し、乱流輸送の抑制の検証法を構想した。そして、電場形成・遷移および乱流抑制の実験検証を進めた。また、電場曲率効果について、当初定式化した機構だけではなく、独立な機構の重要な働きも見出した。計画は極めて順調に進展し、予想以上の広がりが実現している。非線形構造である振動型の帯状流によって、乱流塊が捕捉され輸送障壁内に侵入する現象も解析し、輸送障壁内部での揺動の起源の一つとして定式化した。
さらに何十年も未解明だった問題（装置容器の材料や給気法が主プラズマの閉じ込めに影響する実験事実）にも研究を拡張した。かねてより代表者らは閉じ込め装置の壁材がH-モードの閉じ込め改善度に影響する上で中性粒子の役割を指摘してきた。その考えを拡張し、粒子補給によって生み出される乱流揺動を解析した。その結果、粒子補給量がプラズマ閉じ込めに影響すること、この機構が生成されたH-モードをより安定状態ならしめることなどを見出した。別の未解明問題としては、H-モード遷移の閾値より低い入力状態でプラズマ中央部での崩壊現象が起きると、それに付随してH-モード遷移が起きるという実験観測が３０数年知られて居る。従来は、崩壊現象による熱パルスが「不足していた」パワーを補うことが原因だろうと考えられていたが、大型装置での実験の詳細分析の結果、乱流塊と急峻な径電場の伝播が遷移を引き起こして居ることを実証した。こうした改善閉じ込め現象などに関する成果は、何十年来知られていた未解明問題に取り組む新たな糸口となると期待される。
さらには、乱流がプラズマ中のプラズマ断面の一部分に乱流が局在すること（H-モードに重要な働きを持つ可能性を代表者らが理論的に指摘している）のレビューを出版し、今後の研究者への指針を与えた。

Current Status of Research Progress

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

Reason

粒子補給によって生み出される乱流揺動を解析し、この機構が生成されたH-モードをより安定状態ならしめることなどを見出した。また、H-モード遷移の閾値より低い入力状態でプラズマ中央部での崩壊現象が起きると、それに付随してH-モード遷移が起きるという現象について、乱流塊と急峻な径電場の伝播が遷移を引き起こして居ることを観測し論文原稿にとりまとめた。こうした成果は、何十年来知られていた未解明問題に取り組む新たな糸口となると期待される。予想以上に進展して居ると結論する。

Strategy for Future Research Activity

2018年度までの成果に立脚し、2019年度には、次のようなテーマについて選び研究を進める。(1)理論モデルと実験との比較が進められ、揺動計測の実験データ解析も充実しつつある。この流れをさらに充実させ、研究統合を発展させる。(2)次に、輸送障壁内の乱流輸送を研究する。乱流塊が移送される過程として測地線音波（メゾスケール電場の一種）と呼ばれる揺動に昨年より着目しているが、それに加え、径電場の曲率による乱流排斥の効果も検討する。かねてより分担者らによって、複数の種類の乱流揺動が存在しうる場合、イオンスケールの揺動が径電場で抑制されると、さらに波長の短い揺動が逆に増える可能性があることが理論的に指摘されており、そうした問題も考察する。輸送障壁が、空間的に、または時間的に、二段階の遷移を示す可能性もあり研究を進める。(3)粒子補給に伴う乱流駆動という新しい機構に着目することによって、輸送障壁がより安定化される機構を理論的に研究する。(4)トカマクでは内部崩壊現象が起きると、中心部から周辺部へエネルギーが急に放出され、H-モード遷移に影響することが知られている。乱流塊と急峻な径電場の伝播が遷移を引き起こして居ることを観測した。その物理機構を研究する。(5)これまでの研究によって培われた輸送障壁の描像を、さらに広い自然界の問題に応用し波及効果を増すことにも務め、そのために分担者を増員する。
国際共同データ解析の活動もふくめて、本計画で示される物理モデルの第一原理的な実験観測の方法も考察を続ける。実験研究・観測を指導している。それらの国際的共同実験研究のとりまとめにも寄与する。理論・実験等について得られた成果を取りまとめ、成果の発信に努める。

Research Products

• [Int'l Joint Research] South-West Institute for Plasma Physics(中国)
  • Country Name: CHINA
  • Counterpart Institution: South-West Institute for Plasma Physics
• [Int'l Joint Research] Max-Planck Institute for Plasma Physics(ドイツ)
  • Country Name: GERMANY
  • Counterpart Institution: Max-Planck Institute for Plasma Physics
• [Journal Article] Extraction of nonlinear waveform in turbulent plasma (2018)
  • Author(s): Fumiyoshi Kin, Kimitaka Itoh, Akihide Fujisawa, Yusuke Kosuga, Makoto Sasaki, Takuma Yamada, Shigeru Inagaki, Sanae-Inoue Itoh, Tatsuya Kobayashi, Yoshihiko Nagashima, Naohiro Kasuya, Hiroyuki Arakawa, Kotaro Yamasaki, and Kazunobu Hasamada
  • Journal Title: Physical. Plasmas Volume: 25 Pages: 062304-1-6
  • DOI: 10.1063/1.5027124
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Propagation direction of geodesic acoustic modes driven by drift wave turbulence (2018)
  • Author(s): M. Sasaki, K. Itoh, T. Kobayashi, N. Kasuya, A. Fujisawa, and S.-I. Itoh
  • Journal Title: Nucl. Fusion Volume: 58 Pages: 112005-1-9
  • DOI: https://doi.org/10.1088/1741-4326/aad251
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Symmetry-Breaking of Turbulence Structure and Position Identification in Toroidal Plasmas (2018)
  • Author(s): K. Itoh, S.-I. Itoh, Y. Nagashima, T. Yamada, Y. Kosuga
  • Journal Title: Plasma and Fusion Research - Review Articles Volume: 13 Pages: 1102113-1-16
  • DOI: 10.1585/ pfr.13.1102113
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Pioneering work before becoming mainstream research (2018)
  • Author(s): K. Ida
  • Journal Title: AIP Conference Proceedings Volume: 1993 Pages: 020001-1-14
  • DOI: https://doi.org/10.1063/1.5048711
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Role of electric field curvature in the formation of edge transport barrier (2018)
  • Author(s): Kensaku Kamiya
  • Journal Title: AIP Conference Proceedings Volume: 1993 Pages: 020004-1-10
  • DOI: https://doi.org/10.1063/1.5048714
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Trapping of turbulence clumps by geodesic acoustic modes (2018)
  • Author(s): Makoto Sasaki
  • Journal Title: AIP Conference Proceedings Volume: 1993 Pages: 020007-1-8
  • DOI: https://doi.org/10.1063/1.5048717
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Where is the frontier for frontrunners? (2018)
  • Author(s): Kimitaka Itoh, and Sanae-I. Itoh
  • Journal Title: AIP Conference Proceedings Volume: 1993 Pages: 020012-1-14
  • DOI: https://doi.org/10.1063/1.5048722
  • Peer Reviewed
• [Presentation] 粒子補給がもたらす乱流について (2019)
  • Author(s): 伊藤公孝, 伊藤早苗
  • Organizer: 日本物理学会第74回年次大会
• [Presentation] On the source of turbulence by fuelling (2018)
  • Author(s): Kimitaka Itoh and Sanae-I. Itoh
  • Organizer: International Toki Conference 2018
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] JT-60UのL-H遷移における周辺径電流構造の形成 (2018)
  • Author(s): 神谷健作，伊藤公孝，伊藤早苗，本多充
  • Organizer: 第35回 プラズマ・核融合学会 年会
• [Presentation] OVERVIEW OF HL-2A RECENT EXPERIMENTS (2018)
  • Author(s): M. XU, X.R. DUAN, YI LIU, X.M. SONG, D.Q. LIU, Y.Q. WANG, B. LU, Q.W. YANG, G.Y. ZHENG, X.T. DING, J.Q. DONG, G.Z. HAO, W.L. ZHONG, Z.B. SHI, L.W. YAN, X.L. ZOU, Y.Q. LIU, W. CHEN, G.L. XIAO, (24名), K. ITOH, (他40名）
  • Organizer: 27th IAEA Fusion Energy Conference (FEC 2018)
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Multiple turbulent plasma states in the H-mode transition on JT-60U (2018)
  • Author(s): K. Kamiya, K. Itoh, S.-I. Itoh, M. Honda, A. Isayama, and N. Oyama
  • Organizer: 27th IAEA Fusion Energy Conference (FEC 2018)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Pedestal dynamics in inter-ELM phase on HL-2A tokamak (2018)
  • Author(s): J.Cheng, J.Q.Dong, K.Itoh, S.-I.Itoh, L.W.Yan,J.Q.Xu,M.Jiang, K.J.Zhao, Z.H.Huang,D.L.Yu, S. Inagaki, K.Ida, Z.B.Shi,W.L.Zhong, M.K.Han, Z.X.Wang, X.Q.Ji, Y.Liu, Q.W. Yang, X.T. Ding, M.Xu and X.R. Duan
  • Organizer: 27th IAEA Fusion Energy Conference (FEC 2018)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Sawtooth effects on zonal flows, turbulence and gradients in the edge tokamak plasmas (2018)
  • 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, S. Wang, X. M. Song, and HL-2A team
  • Organizer: Asia Pacific Transport Working Group
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 核融合プラズマにおける閉じ込め遷移現象の物理機構 (2018)
  • Author(s): 小林達哉，伊藤公孝, 井戸毅，神谷健作，佐々木真，伊藤早苗，三浦幸俊，永島芳彦，藤澤彰英，稲垣滋，居田克巳
  • Organizer: 第35回 プラズマ・核融合学会 年会
• [Presentation] Experimental investigation of the L-H transition dynamics (2018)
  • Author(s): T. Kobayashi, K. Itoh, T. Ido, K. Kamiya, M. Sasaki, Y. Miura, Y. Nagashima, K. Ida, S. Inagaki, A. Fujisawa, and S.-I. Itoh
  • Organizer: 2nd Asia-Paciffic Conference on Plasma Physics
  • Int'l Joint Research / Invited