Simulation study of toroidal flow generation mechanism by electron cyclotron heating

2020 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 18K03582
• Research Institution: Kyoto University
• Principal Investigator: 村上 定義 京都大学, 工学研究科, 教授 (40249967)
• Project Period (FY): 2018-04-01 – 2021-03-31
• Keywords: 電子サイクロトロン加熱 / 非軸対称磁場 / トロイダル流 / 高エネルギー電子 / トロイダルプラズマ

Outline of Annual Research Achievements

本研究では，電子サイクロトロン加熱(ECH)に関連するトロイダル流駆動機構として，非軸対称磁場がもたらす高エネルギ電子の径方向流束に関連するJxBトルクの働きに着目して研究を行う．ECHによる高エネルギー電子の振る舞いを５次元位相空間ドリフト運動論方程式解析コードGNETにより解析し，高エネルギー電子の径方向流束に関連するJxBトルクおよび電子エネルギーのトロイダル方向のドリフト運動により発生する摩擦力によるトルクを求め，この２つのトルクから正味のECHによるトルクを評価する．
まずLHDプラズマにおいてNBI加熱プラズマへECHを重畳することにより，ECHによる電子径方向流束に関連するJxBトルクがトロイダル流へ影響を与えるのかを定量的に解析した．結果として，ECHによるJxBトルクはNBIトルクと同程度の大きなトルクを発生し，実験結果と同様なトロイダル流分布が得られた．これらの結果は，LHDプラズマにおいてECHによる高エネルギー電子がトロイダル流分布に影響していることを定量的に示している．さらに，HSXプラズマにおけるECHによるJxBトルクの影響について評価を進め，実験結果との比較を進めた．結果として，準ヘリカル対称性がある磁場配位に比べ対称性が無い磁場配位において大きなトロイダル流が得られるという実験と同様な結果が得られた．
最後に，トロイダルリップル磁場を導入したトカマクプラズマにおける解析を行った．JT-60U装置を対象としてECHによる電子径方向流束に関連するJxBトルクがトロイダル流へ影響を与えるのかを定量的に解析し，実験結果と比較・検討を行った．結果として，得られたJxBトルクが小さく，実験で観測されたトロイダル流を説明することができないことが示された．更に，ヘリカルおよびトカマク配位に適用可能なJxBトルクの理論モデルの構築を行った．

Research Products

• [Int'l Joint Research] University of Wisconsin-Madison(米国)
  • Country Name: U.S.A.
  • Counterpart Institution: University of Wisconsin-Madison
• [Journal Article] Magnetic Configuration and Heating Location Dependences of Toroidal Torques by Electron Cyclotron Heating in LHD (2021)
  • Author(s): Yamamoto Y., Murakami S.
  • Journal Title: Plasma and Fusion Research Volume: 16 Pages: 2403043
  • DOI: 10.1585/pfr.16.2403043
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Mechanism of toroidal flow generation by electron cyclotron heating in HSX and LHD plasmas (2021)
  • Author(s): Y. YAMAMOTO , S. MURAKAMI , C.C. CHANG , S.T.A. KUMAR , J.N. TALMADGE , K.M. LIKIN , D.T. ANDERSON , H. YAMAGUCHI , H. TAKAHASHI , K. IDA , M. YOSHINUMA , LHD EXP. GROUP
  • Journal Title: Proc. of 25th IAEA Fusion Energy Conference (FEC 2020) Volume: - Pages: #824
  • Int'l Joint Research
• [Journal Article] Effect of the Pfirsch-Schlueter flow on the inboard/outboard asymmetry of the toroidal flow in LHD (2020)
  • Author(s): Yamamoto Y.,Murakami S.,Takahashi H.,Ida K.,Yoshinuma M.,Chen J.
  • Journal Title: Physics of Plasmas Volume: 27 Pages: 042514～042514
  • DOI: 10.1063/1.5126526
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Presentation] Mechanism of toroidal flow generation by Electron Cyclotron Heating in HSX and LHD Plasmas (2021)
  • Author(s): Y. Yamamoto, S. Murakami, S.T.A. Kumar, J.N. Talmadge, K.M. Likin, D.T. Anderson, H.Yamaguchi, C.C. Chang, H. Takahashi, K. Ida, M. Yoshinuma and LHD Exp. Group
  • Organizer: IAEA Fusion Energy Conference 2020
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Study of net toroidal torque generation by radial diffusion of ECH supra-thermal electrons in tokamak plasmas (2021)
  • Author(s): S. Murakami, Y. Yamamoto, D. Iio and Mitsuru Honda
  • Organizer: 47th European Physical Society Conference on Plasma Physics
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Magnetic Configuration and Heating Location Dependences of the Toroidal Torques by ECH in LHD (2020)
  • Author(s): Y. Yamamoto, S. Murakami, C.C. Chang, H. Takahashi, K. Ida, M. Yoshinuma
  • Organizer: The 29th International Toki Conference
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Effects of Toroidal Field Ripple on Toroidal Torque by Electron Cyclotron Heating in JT-60U Plasma (2020)
  • Author(s): H. Ishiguro, S. Murakami, Y. Yamamoto, M. Honda
  • Organizer: The 29th International Toki Conference
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] ヘリカルプラズマにおけるECHによるトロイダル流の駆動 (2020)
  • Author(s): 山本泰弘，村上定義，他
  • Organizer: 第３７回プラズマ・核融合学会 年会