高性能強負磁気シアプラズマの不安定性の研究

2019 Fiscal Year Research-status Report

• Project/Area Number: 17K07003
• Research Institution: National Institutes for Quantum and Radiological Science and Technology
• Principal Investigator: 武智 学 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 トカマクシステム技術開発部, 上席研究員(定常) (40370423)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 井上 静雄 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, 研究員(定常) (80757956)
• Project Period (FY): 2017-04-01 – 2021-03-31
• Keywords: 核融合プラズマ / 磁気流体不安定性 / 負磁気シアプラズマ / ディスラプション / 内部輸送障壁 / トカマク

Outline of Annual Research Achievements

強負磁気シアプラズマは非常に高い閉じ込め性能を持つが、コラプスやディスラプションが頻発し、その発生機構が未だに明らかでない。これらの発生の物理機構を明らかにすることが本研究の目的である。これまでに、ディスラプション時に、表面のモードと共鳴する内部モードが観測されることを確認しているが、シミュレーションによってプラズマ周辺の摂動が磁気島の成長に影響を与えること、さらにプラズマの回転の違いによって磁気島の成長の特徴が大きく変わることが示唆された。令和１年度は、前年度に行った正磁気シアプラズマを用いたDIII-Dにて磁気島に対する外部摂動磁場の影響を調べる実験の解析を引き続き行った。抵抗性MHDシミュレーションコードAEOLUS-ITを用いて得られた、磁気島と外部磁場との関係における外部磁場のプラズマによる遮蔽効果の外部磁場の強度に対する影響について、DIII-Dの実験結果との比較を行い定量的に非常に良い一致を示した。実際の実験ではコイルによって励起される磁場と、コイルの設置誤差などを起因とする誤差磁場と磁気島の共鳴が起こるため、これらを含んだ解析を推し進めた。その結果、回転する磁気島による安定化、不安定化の物理機構を得ることに成功した。
また、JT-60Uで得られた負磁気シアプラズマでのディスラプションの原因となる不安定性の分類を進めた。特に、安全係数分布の制度に着目し、安全係数分布の再構築と平衡計算を行い、放電の選別とデータの準備を進めた。

Current Status of Research Progress

3: Progress in research has been slightly delayed.

Reason

DIII-Dにて実験を行うための実験提案を行ったが、先方の実験スケジュールと整合が取れなかったため、令和２年度の実験の予定となった。

Strategy for Future Research Activity

JT-60Uにおける負磁気シアプラズマの実験結果の解析については、引き続き、プラズマ回転の空間分解能、時間分解能が大幅に改良されたJT-60Uの最後期の実 験において、正確な安全係数分布の得られている非誘導電流駆動プラズマ実験等を対象として解析を続け、JT-60Uにおける強負磁気シアプラズマにおいて、ディ スラプションの分類を行う。分類にあたっては、(1)ディスラプション時の予兆振動の有無、(2)予兆振動の成長率、(3)安全係数、電流分布、イオン温度、電子温度、密度の分布、(4)プラズマ回転およびプラズマ回転分布などについて着目して解析を行う。予兆振動は磁気センサーおよびECE、軟X線計測などで調べる。
抵抗性MHDシミュレーションコードによる外部摂動による内部不安定性に対する影響の解析については、現存するシミュレーションコードは外部摂動、及び内部不安定性は同じヘリシティである必要があり、複数のヘリシティを対象とすることができないため、実験結果を解析するために、マルチヘリシティに対応可 能なように改変する。現行のトカマク装置における負磁気シアプラズマ実験については、DIII-Dの正磁気シアにて行った磁気島に対する外部摂動磁場の影響を調べる実験に引き続き、負磁気シアプラズマにおいて実験を行うため詳細な実験手法の検討をさらに行い、令和２年度の実験提案の準備を行う。

Causes of Carryover

令和元年度に予定していた米国のDIII-Dの実験参加が令和２年度となったため次年度仕様が生じた。令和２年度に実験費用（旅費及び物品費）として使用を予定している。

Research Products

• [Presentation] The physics of locked tearing mode stabilization by rotating 3D fields in the presence of static error fields (2019)
  • Author(s): S. Inoue, M. Okabayashi, Z. Taylor, E.J. Strait, J. Shiraishi, G. Matsunaga, M. Takechi, A. Isayama, N. Hayashi, S. Ide
  • Organizer: 61st Annual Meeting of the APS Division of Plasma Physics, FL, USA, Oct. (2019)
  • Int'l Joint Research / Invited