ITERプラズマの 高ベータ化の新領域 小関隆久a)、小野靖b)、高瀬雄一b) 、杉原正芳a) 日本原子力研究所a) 、東京大学b) 謝辞：藤堂泰、矢木雅敏、岸本泰明、JT−60チームの方々 のご協力に感謝します。 日本物理学会年会、2004年3月30日、九州大学

ITER運転領域：高β化に向けた課題 複合的不安定性：α加熱主体、ブートストラップ電流主体のプラズマでの安定性 保持時間（秒） 規格化プラズマ圧力 抵抗性壁モードRWM （βN>3） ディスラプション（ベータ限界、密度限界、ロックモード、高li等に起因）の評価、緩和、予測 アルフェン固有モード（α粒子による不安定性） 新古典テアリングモードNTM（低規格化小半径r*） 磁気リコネクション（高磁気レイノルズ数RM）

新領域は？ βαの増加 磁気レイノルズ数の増加 ラーモア半径の減少 燃焼プラズマの複合的安定特性

I. 高βαによるα粒子挙動と不安定性 D + T -->3He(3.5MeV) + n (α粒子） 単一粒子挙動 トロイダル磁場リップル損失 大軌道粒子損失 集団的粒子挙動 Fishbone不安定性 Sawtoothの安定化／不安定化 アルフェン固有(TAE)モード不安定性と粒子損失 アルフェン乱流 βαの上昇による高エネルギー粒子による不安定化？

TAEモード（波ー粒子相互作用） Em r/a r/a 波ー粒子の共鳴条件 ・イオン速度 v|| ＞磁力線方向の位相速度 モード減衰 0.25 0.50 0.75 1.00 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 m=2 m=1 アルフェン 固有モード スペクトラム ギャップ シヤーアルフェン・スペクトラム r/a 0.25 0.50 0.75 1.00 1.0 2.0 3.0 4.0 m=2 m=1 Em アルフェン固有関数 波ー粒子の共鳴条件 ・イオン速度 v|| 　＞磁力線方向の位相速度 モードの励起 ・反磁性ドリフト w* 　　＞波のポロイダル方向 　　　位相速度 (wA r/m) 　逆ランダル減衰効果 モード減衰 ・イオンランダウ減衰 ・連続スペクトラム減衰 ・放射減衰 TAEモード成長率

ITERプラズマTAE発生領域 高エネルギー粒子によるTAEモード励起 NBI加熱：接線入射、JT-60負イオンNBI、~350keV [K.Shinohara, et al Nucl. Fusion 2001] 高エネルギー粒子によるTAEモード励起 NBI加熱：接線入射、JT-60負イオンNBI、~350keV ICRF加熱：歳差運動、 　~数MeV、 α加熱：等方的速度分布3.5MeV （ITERによるα加熱主体におけるTAEモードの発生） TFTR（DT実験）にて減衰効果を下げる ことによりα加熱粒子によりTAEモード を励起

ITERプラズマのTAEモード安定性 現在のトカマク（多くの場合低ｎモード、単一モード） ITERでは（ｎはトロイダルモード数） １）ba/bの増加により不安定化：ba増による成長率増加、相対的にバルクプラズマのランダウ減衰率の減少 ２）低ra：より高ｎモードが不安定。 FLRによる安定化（n ~　　 ） HINTコードによるTAEモードの線形成長率（ba0=0.7%, ne0=1020m-3, Ti0=19.3keV, /ra0=39.1, -ba=5%） [Gorelenkov, et al Nucl. Fusion 2003] ITERでは、中間ｎモード（n~10~20）が、大きなポロイダルモード数ｍが不安定（~ n x nq ~ 100-400)

周波数掃引現象 DfRSAE=(vAmDq/2pRq2) RSAE JT-60UでのFrequency Chirping mode (100-200ms) [Kusama et. al, Nucl. Fusion 1998] （有力候補RSAE）非単調増加ｑ分布、大きな粒子起動、トロイダル効果 平衡の変化（ｑ分布の変化、電流拡散時間）が、モード周波数の速く大きな変化を起こす。 [Takehi et. al, IAEA conf. 2002] DfRSAE=(vAmDq/2pRq2) RSAE ITERでは、殆どの不安定アルフェンモードは、高ｎモードであるり、平衡（ｑ分布）の僅かな変化が、 １）周波数の大きな変化や、 ２）モード数の変化となる。 アルフェン・カスケード現象となるか

流体的-運動論的（波-粒子）非線形現象 速い周波数掃引の観測 1〜5ms上下に10-20Hz変化 粒子(Vlasov)-MHDシミュレーション [Y.Todo and T.Sato, Phys. Plasmas 1998] １.高速粒子によるアルフェン固有モードの不安定化 ２．固有モードのポテンシャル井戸が粒子を捕捉、吐き出し ３．周波上昇と下降を発生 [K.Shinohara, et al. Nucl. Fusion. 2001] 高速イオン圧力が小さい場合（ba0~0.8%）周波数が上下に分離 　（上方へ~7kHz、下方へ~12kHz ）

ITERにおけるアルフェンモード Multi time scaleの不安定性 Multi modeの不安定性 流体的 - 運動論的非線形性 AE不安定時間（MHD不安定性時間） α粒子の捕捉と吐出し時間（捕捉粒子の周回時間） α粒子輸送時間 新たな分布の形成 （ 飽和、周期、減衰） プラズマの空間勾配 （α粒子勾配の変化） 高n，多数 TAEモード （ α粒子の吐出し、 再分配、損失） カスケード現象、乱流 DT核燃焼 α粒子生成 ba ff MHD orbit trans 波-粒子非線形現象 ポテンシャル井戸 のα粒子捕捉 外部制御システム 加熱・電流分布 Multi modeの不安定性 多数の高ｎモード、モード間結合 高baと高nモードの不安定化によるアルフェン乱流の可能性 アルフェンモードはプラズマの燃焼を飽和させるか？ 流体的 - 運動論的非線形性 高エネルギー粒子による固有モードの励起、固有モードによるポテンシャルでの粒子捕捉・吐出し

II：磁気レイノルズ数の増加 磁気レイノルズ数: RM 太陽フレア 1012-1014 ITERプラズマ ~1010 太陽フレア　　 1012-1014 ITERプラズマ　 　 ~1010 磁気再結合装置　　 ~103 磁気リコネクションは？ リコネクション速度（なぜ理論より高速？） リコネクションのエネルギ解放（イオン加熱？） 太陽フレア 6.2m 14m ITER u V 磁気圧の上昇 磁力線の つなぎかわり 粒子の加速 X ポイント シート電流 磁気再結合装置TS-3

プラズマ合体を用いた磁気 リコネクション実験 （TS-3/4による合体実験） Reconnection rate as a function of Bx B X / // 0.3 0.25 0.05 -1 3 4 5 6 1 2 0.2 0.15 0.1 Anomalous resistivity (d<ri) large ri 異常抵抗によるリコネクションの高速化

電流シート幅がイオン ラーマ半径以下に圧縮 されると拡散が急増 高速リコネクション 電流シート幅がイオン ラーマ半径以下に圧縮 されると拡散が急増 　　高速リコネクション [d/ri](t) × (t)[mm] Bxが異なる合体プラズマのトロイダル電流 jx密度の分布と磁気面、イオンラーマ半径ri, (c)電流シートの実効抵抗のシート幅/ri依存性

ITERで想定される低ρi領域（例えばm/n=1/1モード） 　　異常抵抗なしの電流シートを過大に圧縮　　　　　　　　　　　　　　　電流シート（プラズモイド）放出現象 Ejection B z V r Sheet Ejection Anomalous resistivity (d<ri) Sheet Ejection 0.3 6 0.25 0.2 0.15 0.1 0.05 -1 1 2 3 4 5 B B / large ri X // Reconnection rate as a function of Bx d>> riのMHD領域

ITERでの磁気リコネクション実験は？ + バルクプラズマと電流シートプラズマの磁気レイノルズ数の差が大：電流シートの磁気レイノルズ数の効果の明確化。 異常抵抗に代わる速い磁気リコネクション機構解明の可能性。 電子慣性項、電子圧縮性 無衝突再結合過程 イオンのダイナミックス ホール効果 JxB nee + KE 時間／ポロイダルアルベン時間 磁気エネルギー 運動エネルギー Sp=5x104 Sp=1x105 Sp=2x105 Sp=3.3x105 エネルギI ⌒3/1 ⌒ 1019 1020 1021 105 104 103 102 101 100 電子温度 eV 電子密度　 m-3 圧縮性主要 (rs > de ) 電子慣性主要 de / rs =5 de / rs =1.75 5T ITER [Y.Ishii, et al. Phys.Rev. Lett.2002]

III：規格化ラーモア半径の減少 新古典テアリングモード(NTM)。 磁気島内でのブートストラップ電流の減少が磁気島を成長。 モードの発生には種磁気島が必要。 スケーリング則：bN ∝ r*、r* の小さいITERでは、低bN で不安定化？ITERでのNTMの発生が大きな課題 磁気島内輸送効果 ブートストラップ電流減少効果

新古典テアリングモードの安定化 NTMの成長：磁気島内のブートストラップ電流の減少 NTMの安定化：磁気島内への電流駆動、ECCDによる局所電流駆動 ITERでの安定化に必要なパワー：<30MW [N.Hayashi, Nucl. Fusion 2004] ITERでは実時間制御による安定化 [A.Isayama, Nucl. Fusion 2002]

新古典テアリングモードの発生機構 NTMの発生の機構や未知物理パラメータの発掘が必要 多くの装置で発生bNはρ＊ にほぼ比例。ITERでは低bNで発生。 モード発生のρ＊スケーリングは正しいか？ 　　　　　　 JET [IAEA, Yokohama 1998] DIII-D [Lahaye 2000] ASDEX [Lahaye 2000] JT-60 [IAEA, Sorrento 2000] ν＊依存性が装置間で異なる。複数装置データからスケーリングは困難。 NTMの発生の機構や未知物理パラメータの発掘が必要

ラザフォード方程式の精密化 磁場に垂直方向の異常粘性による安定化効果の可能性 イオンの反磁性方向の回転 垂直方向の粘性による安定化効果は温度により増加 [S.Konovalov, JPS 2003]

ラザフォード方程式を越えた議論 ４場簡約MHDモデル 線形解析：イオンの新古典粘性、電子とイオンの反磁性ドリフトによるNTM安定化効果 [A.Furuya, M.Yagi, et al., JPSJ 72,313, 2003] 非線形解析：NTMが高ベータ乱流によって非線形的に励起され る可能性。高ｎから低ｎモードへのカスケード現象 確率論的な励起理論 [S.-I.Itoh, K.Itoh, M.Yagi, Plasma Phys. Contr. Fusion 2004] 線形安定なNTMが、微視的乱流ノイズにより 確率論的に亜臨界励起

α加熱主体、ブートストラップ電流主体のプラズマでの安定性 IV：燃焼プラズマの複合的安定特性 α加熱主体、ブートストラップ電流主体のプラズマでの安定性 新たな分布の自己形成 プラズマの空間勾配 （圧力勾配の変化） ミクロスケール 静電的・電磁的 揺動 Self-organization 波数空間における 緩和・カスケード現象 外部制御システム 　・加熱分布 　・電流分布 　・運動量分布 電流の自己生成 磁場の構造 新平衡磁場の形成 電場・回転の 自己生成 流れ・回転の構造 核燃焼 内部熱源 bN * * ff fext=50% (Q=5) fa=50% (Q=5) マクロスケール 理想・非理想 MHD揺動 P r Sawtooth ELM AEモード Kink-Ballooning/RWM NTM 安定性改善からは平坦圧力分布,ピーク電流 しかし、ブートストラップ電流は平坦分布、 α加熱はピーク分布 自律性プラズマの理解

電流ホールプラズマの安定性 自律性の高いプラズマでの安定性？ 電流ホールプラズマ輸送シミュレーション 実験結果を良く再現 電流分布形成 電場分布形成 (a) (b) 磁気シア反転付近での内部輸送障壁形成による局所的ブートストラップ電流、負の電場の形成 自律的な分布形成、巨視的不安定性なし

自律性の高いプラズマの安定性 β限界：低ｎの理想MHD安定性 圧力、電流分布の制御による高βプラズマ達成の可能性 分布に敏感 β限界の向上 ITERでは さらにα加熱主体（圧力分布） 安定解が存在するか？制御性はどうか？ アトラクター、リミットサイクル？ 輸送、MHD、等々を含めた総合的解析 統合コード、研究グリット

まとめ I. 高βαによる多数の高ｎモード不安定性： 核融合燃焼の飽和、高速イオンの損失、カスケード、臨界安定性、アルフェン乱流 II．高磁気レイノルズ数プラズマ：実験室プラズマで、太陽プラズマに迫るデータの取得が可能。 電流シートの磁気レイノルズ数の効果の明確化。 異常抵抗に代わる速い磁気リコネクション機構の発見の可能性。 III：規格化ラーモア半径の減少： ITERでのNTMの発生が大きな課題、Multi fieldMHDシミュレーション、確率論的アプローチ IV：燃焼プラズマの複合的安定特性： α加熱主体、ブートストラップ電流主体の自律性の高いプラズマの安定性、総合的な安定性解析