Development of advanced millimeter wave diagnostic system for high energy ions in fusion plasmas and control for self-burning plasmas

2023 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 19KK0073
• Research Institution: National Institute for Fusion Science
• Principal Investigator: 西浦 正樹 核融合科学研究所, 研究部, 准教授 (60360616)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 藤井 恵介 京都大学, 工学研究科, 助教 (10637705) [Withdrawn] ; 矢内 亮馬 核融合科学研究所, 研究部, 助教 (40824743) ; 關 良輔 核融合科学研究所, 研究部, 助教 (80581066) ; 釼持 尚輝 核融合科学研究所, 研究部, 助教 (80781319) ; 奴賀 秀男 核融合科学研究所, 研究部, 助教 (10625429)
• Project Period (FY): 2019-10-07 – 2024-03-31
• Keywords: 燃焼プラズマ / 核融合 / 高エネルギー粒子 / 散乱計測 / ミリ波 / トモグラフィ / 深層学習 / 電子サイクロトロン輻射

Outline of Annual Research Achievements

核融合プラズマ中のDT反応で発生する高エネルギーイオン(3.5MeVα粒子)は燃料イオン(D,T)を加熱し，プラズマの自立燃焼を支える．ITERでのα粒子計測はミリ波協同トムソン散乱(Collective Thomson Scattering, CTS)計測を採用した．本研究はミリ波CTS計測による核融合プラズマ中の高エネルギーイオンの速度分布関数計測手法の確立を目的とする．
CTS計測の新たな応用として，プラズマの乱流輸送を調査できる電子温度揺動計測を実施した．その結果，プラズマのMHD揺動に伴う電子温度揺動を捕らえることに成功した．電子温度に対し，数%の強い電子温度揺動は計測可能であることが明らかになったが，乱流起因の電子温度揺動の相関スペクトルを得るには，感度を一桁以上向上させる必要があることも判明した．この成果は，LAPD20で報告した．
プラズマ加熱ビームから生じる高エネルギーイオンの速度分布は，入射ビームの磁場に対するピッチ角により，非熱化イオンは非等方的に存在すると考えられる．CTS計測によりCTSスペクトルの非対称性が観測され，実験的にも非等方な高エネルギーイオンの存在を確認した．この事実に基づき，高エネルギーイオンの非対称性を変化させることで，プラズマの輸送への影響を調査した．その結果，磁力線に垂直と並行方向の速度空間における非等方性を高めると，バルクイオンと不純物イオンは粒子を排出する方向へ，等方性を高めるとプラズマコア部の方向に輸送することを突き止めた．その結果は，65th APS Division of Plasma Physicsで，招待講演を行った．
マックスプランクプラズマ物理研究所とデンマーク工科大の研究者らと本研究チームの交流，核融合スタートアップとの共同研究等，ミリ波分野の新しい拠点形成に貢献し，当初想定した以上の成果を得ることが出来た．

Research Products

• [Int'l Joint Research] Max Planck Institute for Plasma Physics(ドイツ)
  • Country Name: GERMANY
  • Counterpart Institution: Max Planck Institute for Plasma Physics
• [Int'l Joint Research] Technical University of Denmark(デンマーク)
  • Country Name: DENMARK
  • Counterpart Institution: Technical University of Denmark
• [Int'l Joint Research] Brookhaven National Laboratory/Princeton Plasma Physics Laboratory(米国)
  • Country Name: U.S.A.
  • Counterpart Institution: Brookhaven National Laboratory/Princeton Plasma Physics Laboratory
• [Journal Article] Commissioning and first results of the 174 GHz collective Thomson scattering diagnostic at Wendelstein 7-X (2024)
  • Author(s): Moseev D.、Ponomarenko S.、Laqua H.P.、Stange T.、Nielsen S.K.、Braune H.、Gantenbein G.、Illy S.、Jelonnek J.、Kasparek W.、Kuleshov A.、Krier L.、Lechte C.、Marsen S.、Nishiura M.、Plaum B.、Ragona R.、Ruess T.、Salewski M.、Stordiau P.、Thumm M.、Wolf R.C.、Zimmermann J.、W7-X Team the
  • Journal Title: Journal of Instrumentation Volume: 19 Pages: C03056～C03056
  • DOI: 10.1088/1748-0221/19/03/C03056
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Influence of sawtooth oscillations on fast ions in a stellarator (2024)
  • Author(s): Moseev D.、Zanini M.、Kasahara H.、Laqua H.、Funaba H.、Hayashi W.、Heidbrink William W、Ida K.、Igami H.、Kawamoto Y.、Kenmochi N.、Lazerson Samuel A、Nishiura M.、Ochoukov R.、Ogawa K.、Larsen Mads Rud、Salewski M.、Seki T.、Tamura N.、Tanaka K.、Tokuzawa T.、Yoshinuma M.
  • Journal Title: Nuclear Fusion Volume: 64 Pages: 066028～066028
  • DOI: 10.1088/1741-4326/ad4169
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Degradation of fast-ion confinement depending on the neutral beam power in MHD quiescent LHD plasmas (2024)
  • Author(s): Nuga H.、Seki R.、Ogawa K.、Yamaguchi H.、Kamio S.、Fujiwara Y.、Kawamoto Y.、Yoshinuma M.、Kobayashi T.、Takemura Y.、Isobe M.、Osakabe M.、Yokoyama M.
  • Journal Title: Nuclear Fusion Volume: 64 Pages: 066001～066001
  • DOI: 10.1088/1741-4326/ad3971
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] New Q and V-band ECE radiometer for low magnetic field operation on LHD (2023)
  • Author(s): Tokuzawa Tokihiko、Goto Yuki、Kuwahara Daisuke、Nishiura Masaki、Shimizu Takashi
  • Journal Title: EPJ Web of Conferences Volume: 277 Pages: 03008～03008
  • DOI: 10.1051/epjconf/202327703008
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Development of correlation ECE system for electron temperature fluctuation measurement in LHD (2023)
  • Author(s): Gong M.、Nishiura M.、Yanai R.、Takemura Y.
  • Journal Title: Journal of Instrumentation Volume: 18 Pages: C10007～C10007
  • DOI: 10.1088/1748-0221/18/10/C10007
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Multi-hole coupling power monitor with tapered sub-waveguide for dual-frequency high-power gyrotron (2023)
  • Author(s): Yanai R.、Takeuchi T.、Mizuno Y.、Yoshimura Y.、Nishiura M.、Igami H.、Takahashi H.、Tsujimura T. Ii、Kenmochi N.
  • Journal Title: AIP Advances Volume: 13 Pages: 095105～095105
  • DOI: 10.1063/5.0159136
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Presentation] 磁気圏型配位RT-1で観測されるコーラス放射の発生領域 (2024)
  • Author(s): 齋藤晴彦, 西浦正樹, 上田研二, 温周陽, 三村洸生, 釼持尚輝, 吉田善章
  • Organizer: 日本物理学会 2024年春季大会
• [Presentation] LHDにおけるコア密度ピーキング観測III (2024)
  • Author(s): 西浦正樹, 佐竹真介, 清水昭博, 井戸毅, 吉沼幹朗, 矢内亮馬, 沼波政倫, 山口裕之, 藤田慶二, Salewski Mirko, 奴賀秀男, 關良輔
  • Organizer: 日本物理学会 2024年春季大会
• [Presentation] Development of correlation ECE system for electron temperature fluctuation measurement in LHD (2023)
  • Author(s): M. Gong, M. Nishiura, R. Yanai, Y. Takemura
  • Organizer: 20th International Symposium on Laser-Aided Plasma Diagnostics
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Core density peaking by control of energetic ion anisotropy in LHD (2023)
  • Author(s): M. Nishiura, A. Shimizu, S. Satake, T. Ido, K. Fujita, M. Yoshinuma, R. Yanai, M. Nunami, M. Salewski, H. Yamaguchi, H. Nuga, R. Seki
  • Organizer: 29th Fusion Energy Conference
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Electron-scale turbulence characteristics in LHD plasma (2023)
  • Author(s): T. Nasu, T. Tokuzawa, T. I. Tsujimura, M. Nakata, K. Ida, S. Inagaki, M. Nishiura, Y. Yoshimura, R. Yanai, K. Tanaka, M. Yoshinuma, T. Kobayashi, A. Ejiri, K. Y. Watanabe, I. Yamada, and LHD experiment group
  • Organizer: 29th Fusion Energy Conference
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Recent advances in the understanding of fluctuation activities of high-beta plasma in RT-1 (2023)
  • Author(s): H. Saitoh, M. Nishiura, T. Mori, K. Ueda, R. Nakagawa, Z. Wen, K. Nunotani, S. Murai, N. Sato, N. Kenmochi, Z. Yoshida
  • Organizer: 29th Fusion Energy Conference
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Detection of high-energy fast ions in LHD and prospects for quantitative validation of neoclassical fast-ion transport calculations (2023)
  • Author(s): W. Hayashi, C. Muscatello, E. Green, H. Yamaguchi, J. H. Nicolau, K. Ogawa, M. Nishiura, M. Osakabe, M. Isobe, W. W. Heidbrink, Y. Kawamoto, Y. Fujiwara, Z. Lin
  • Organizer: 29th Fusion Energy Conference
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] First evidence of the fast ion redistribution due to sawtooth crash in a stellarator (2023)
  • Author(s): D. Moseev, M. Zanini, H. Kasahara, H.P. Laqua, H. Funaba, W. H. J. Hayashi, W. Heidbrink, K. Ida, H. Igami, Y. Kawamoto, N. Kenmochi, S. A. Lazerson, M. Nishiura, R. Ochoukov, M. Rud, M. Salewski, T. Seki, N. Tamura, K. Tanaka, M. Yoshinuma
  • Organizer: 29th Fusion Energy Conference
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Core density profile control by energetic ion anisotropy in LHD (2023)
  • Author(s): M. Nishiura
  • Organizer: 65th Annual Meeting of the APS Division of Plasma Physics
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] LHDにおけるコア密度ピーキングの観測II (2023)
  • Author(s): 西浦正樹, 清水昭博, 佐竹真介, 井戸毅, 藤田慶次, 吉沼幹朗, 矢内亮馬, 沼波政倫, Salewski Mirko
  • Organizer: 日本物理学会 2023年年次大会
• [Presentation] 超伝導ミラー装置によるプラズマ燃焼物理実験の提案 (2023)
  • Author(s): 西浦正樹, 釼持尚輝, 矢内亮馬, 佐竹真介, 沼田龍介
  • Organizer: プラズマ核融合学会 2023年年会
• [Presentation] 電磁界解析を用いたLHDにおける密度揺動によるECHビーム広がりの推定 (2023)
  • Author(s): 矢内亮馬, 木下稔基, 田中謙治, 酒井彦那, 久保伸
  • Organizer: プラズマ核融合学会 2023年年会
• [Presentation] Investigation of Density Fluctuation Influence on ECH Microwave Propagation in LHD (2023)
  • Author(s): R. Yanai, T. Kinoshita, K. Tanaka, H. Sakai, S. Kubo
  • Organizer: 65th Annual Meeting of the APS Division of Plasma Physics
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Full-wave Analysis for Estimation of Microwave Beam Broadening by Turbulent Density Fluctuations in LHD (2023)
  • Author(s): R. Yanai, T. Kinoshita, K. Tanaka, H. Sakai, S. Kubo
  • Organizer: 7th Asia-Pacific Conference on Plasma Physics
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 乱流・熱伝播速度の時間スケール依存性 (2023)
  • Author(s): 釼持尚輝, 居田克巳, 徳澤季彦, 安原亮, 舟場久芳, 上原日和, D.J.DenHartog, 山田一博, 吉沼幹朗, 武村勇輝, 伊神弘恵 , 矢内亮馬
  • Organizer: プラズマ核融合学会 2023年年会
• [Presentation] Fast response of turbulence and heat pulses to thermal perturbations (2023)
  • Author(s): N.Kenmochi, K.Ida, T.Tokuzawa, R.Yasuhara, H.Funaba, H.Uehara, D.J, DenHartog, I.Yamada,M. Yoshinuma , H. Igami , R. Yanai
  • Organizer: 7th Asia-Pacific Conference on Plasma Physics
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] High-speed turbulence spreading and time-scale dependence on propagation velocity of turbulence and heat pulses (2023)
  • Author(s): N. Kenmochi , K. Ida , T. Tokuzawa , R. Yasuhara , H. Funaba , H. Uehara , D. J. Den Hartog , I. Yamada , M. Yoshinuma , H. Igami , R. Yanai
  • Organizer: 29th IAEA Fusion Energy Conference
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Time-scale dependence of turbulence and heat pulse propagation velocity (2023)
  • Author(s): N. Kenmochi , K. Ida , T. Tokuzawa , R. Yasuhara , H. Funaba , H. Uehara , D. J Den Hartog , I. Yamada , M. Yoshinuma , H. Igami , R. Yanai
  • Organizer: 49th European Conference on Plasma Physics
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Orbit-following simulation of fast-ion transport and losses due to the Alfvén eigenmode burst in the Large Helical Device (2023)
  • Author(s): R. Seki, Y. Todo, Y. Suzuki, D.A. Spong, K. Ogawa, M. Isobe, M. Osakabe
  • Organizer: 7th Asia-Pacific Conference on Plasma Physics 2023
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Remarks] 東京大学大学院新領域創成科学研究科先端エネルギー工学専攻西浦研究室
  • URL: http://www.ppl.k.u-tokyo.ac.jp/nishiura/
• [Funded Workshop] 20th International Symposium on Laser-Aided Plasma Diagnostics (2023)