ＩＴＥＲ定常運転の新領域 九大 花田 和明 原研 藤田 隆明 京大 前川 孝 物理学会領域２シンポジウム

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1 ＩＴＥＲ定常運転の新領域 九大 花田 和明 原研 藤田 隆明 京大 前川 孝 物理学会領域２シンポジウム
「ＩＴＥＲ燃焼プラズマ研究の新領域」 平成１６年３月３０日　於　九州大学 ＩＴＥＲ定常運転の新領域 九大　花田　和明 原研　藤田　隆明 京大　前川　孝　　 データ提供者：牛草健吉氏、坂本瑞樹氏、坂本宣照氏、鈴木 隆博氏、図子秀樹氏、 　　　　　　　　 飛田 健次氏、 林　伸彦氏、 X.LITAUDON氏　他

2 自律性が高い 燃料補給 排気、熱・中性子負荷

3 定常ＤＴプラズマと従来の実験との相違 自律性が高い 制御性が悪い 電流制御 ｆｂｓ＞５０％ 加熱制御 Ｑ＝１０で３３％
電流制御 ｆｂｓ＞５０％ 加熱制御 Ｑ＝１０で３３％ 回転制御 ＮＢＩではほぼ不可能 ＲＦではＩＢＷ（定量化は未） 粒子制御 長時間放電ではＲ～１ 新たな不安定性 熱的不安定性 自己組織化に関連した不安定性 高速α粒子の存在 ＴＡＥ 粒子閉じ込め 電流ホールの存在

4 外部制御について 熱 中性子 外部 加熱 圧力勾配 運動量 注入 燃料 補給 自発電流 外部 電流 駆動 輸送改善 灰 排気 磁気シア
径電場シア 遥動抑制

5 制御性向上のために Sensitivityの高い制御方法を使用する。
高効率化 効率の向上 　　　局所性を高める

6 電流駆動効率は駆動電流（電子温度）とともに向上
駆動効率＝ 密度・主半径・電流 パワー 駆動効率の理解の進展 　⇒核融合炉の炉心ﾊﾟﾗﾒｰﾀでは 　　どの周波数帯でも現在のLHCD 　　級の効率が期待できる ITER:Rp=6.2m, ne=1020m-3 ⇒　P(MW) = (62/h19)ICD(MA) 12MW 62MW 120MW 電流駆動効率 620MW ITER１MA当たり 駆動電流 ECCD,FWCD:高温プラズマでの高効率実証

7 ECCD電流分布制御 (ＪＴ－６０Ｕ) r/a 2 j (MA/m2) 1 3 JT-60 1 r 47 ° 49 EC 駆動電流分布
・ミラー角で駆動領域を制御 ・MSEデータを用いた駆動電流分布同定法の確立 ・ECCD：局所電流駆動に最適 1 r 3 JT-60 47 49 MSE data F o c u s M i r V a b l e R j (MA/m2) 2 1 r/a 局所電流駆動の実証 ⇒新古典テアリング 　不安定性の抑制に 　利用可能 局所電流密度向上のための最適化

8 電流分布とＩＴＢの同時制御（ＪＥＴ）

9 実際の制御の状況（ＪＥＴ） ７秒間 JET #62160 3T/1.7MA q95 ~ 6.4 H89~ 1.9, bN~ 1.8
Time (s) Da bN H89 Ti [kev] neo Pnbi <ne> PICRH PLHCD Ip Vl JET #62160 3T/1.7MA q95 ~ 6.4 H89~ 1.9, bN~ 1.8 bp~ 1.2 at t~12s Vl ~ 0.05V Type III ELM + ITB at R~3.6m ７秒間 D.Mazon, A.Murari, L.Laborde, D. Moreau

10 高自発電流割合放電の定常維持 自発電流の割合が高い（fbs>80%)プラズマを電流拡散時間以上に維持することができている。

11 定常自立の解は存在するのか？ 自律性の性質と外界との相互作用を調べる必要がある。 粒子排気、 熱・中性子 自発電流 α加熱
電流分布（平衡維持） 圧力分布 加熱分布 輸送係数 燃料 補給 自律性の性質と外界との相互作用を調べる必要がある。

12 燃焼（Semyonov:1956年ノーベル化学賞受賞）
ＣＯ２ Ｏ２ Ｏ２ 燃料供給 理想的な燃料供給と灰排気システム。 化学的発熱反応による光、熱の放出。

13 定常化学燃焼 二酸化炭素、熱・光 上昇気流 発熱化学反応 酸素（燃焼維持） 炎 加熱分布 輸送 輸送 燃料 補給
化学燃焼では外部から燃料と酸素の補給により定常になっている。

14 自律ループの定常性１ 粒子排気、 熱・中性子 自発電流 α加熱 電流分布（平衡維持） 圧力分布 加熱分布 輸送係数 燃料 補給

15 自律ループの定常性１（ＴＳ） 自発電流 Predator-Prey System 電流分布 圧力分布 閉じ込め

16 電流ホールプラズマの自律ループ性能（？）
JT-60およびJETで、プラズマの中心部にポロイダル磁場がほとんど存在しない領域（電流ホール）が発見された。 JT-60の場合、中心部のqの絶対値は70以上と評価された。 電流ホール内で温度、密度分布はほぼ平坦であり大きな径方向輸送があるが、中心をはずれたポロイダル磁場と内部輸送障壁により高温のプラズマが閉じ込められている。 トカマクにおいては電流分布あるいはq分布は輸送や巨視的安定性と 密接に関係しています。

17 自律ループの定常性２ 粒子排気、 熱・中性子 自発電流 α加熱 電流分布（平衡維持） 圧力分布 加熱分布 輸送係数 燃料 補給

18 自律ループの定常性２ Wall Saturation（ＪＴ－６０Ｕ）
粒子閉じ込め 壁排気 プラズマ密度 燃料補給 ガスパフなし 壁排気を含めた自律ループの形成による制御性の悪化

19 Total amount of H atoms supplied by Piezo valves （1020 atoms）
自律ループの定常性２ 壁排気の非線形振動（ＴＲＩＡＭ－１Ｍ） 粒子閉じ込め Wall saturation ~7min pump Wall saturation Wall pump again Wall Pumping 壁排気 プラズマ密度 Total amount of H atoms supplied by Piezo valves （1020 atoms） Wall saturation 燃料補給 by pump unit Wall pumping rate ～１.5 x 1016　atoms m-2sec-1 再度燃料補給が再開できた 理由は再堆積

20 壁排気の非線形振動の原因 再堆積による吸着
@ 75mm from LCFS Mo deposition rate 0.1pm/s => 1.15x1016 Mo atoms/m2s Wall pumping rate => 3.85x1015 H atoms/m2s from particle balance => 1.5x1016* H atoms/m2s *M.Sakamoto et al., IAEA (2002) ５時間１６分放電 壁材料のモリブデンのスパッタリングによって生成された再堆積に水素が吸着される。このプロセスにより、壁は飽和状態に至らずに壁排気が再開される。

21 自律ループの定常性３ 灰、熱・中性子 自発電流 α加熱 電流分布（平衡維持） 圧力分布 加熱分布 輸送係数 燃料 補給

22 電流ホールプラズマでの粒子軌道 q(0)=100の平衡を用いてバルクイオン、電子の軌道を計算（電場なし）。
磁気軸を通過する イオン(8keV)の軌道 q(0)=100の平衡を用いてバルクイオン、電子の軌道を計算（電場なし）。 イオンは電流ホール内でほぼz方向にドリフトし電流ホール外でポロイダル方向に周回する（ドリフト速度〜0.5km/s、電流ホール通過時間〜2ms）。

23 大きな電流ホールは高速イオンを 閉じ込めることができない（計算結果）

24 電流ホールの維持 JT-60ではr/a>0.25の大きさの電流ホールが数秒間程度維持されている。その間、巨視的な不安定性は観測されていない。 誘導電流のしみ込みに伴って、内部輸送障壁半径および電流ホール半径はゆるやかに縮小。加熱パワーの低減により、内部輸送障壁および電流ホールは消滅。 -6-

25 α加熱の自立ループ 電流ホールが発生 α加熱の減少 α加熱が増加 電流減少 電流ホールの消滅 誘導電流の発生

26 定常化の物理的取り扱い エネルギー閉じ込め時間や電流拡散時間等の特徴的時間スケールでの整理 プラズマ状態の寿命、存在確率の意識
伊藤早苗氏、伊藤公孝氏、矢木雅敏氏、登田慎一郎氏

27 プラズマ性能の確率的取り扱い （ＴＲＩＡＭ－１Ｍ） 高性能状態に遷移するために要する時間を入射電力に対して纏めた図。入射電力が小さくなると遷移に要する時間の逆数（確率）が小さく、電力の増加とともに確率が増加している。

28 まとめ 微小な外部入力による高精度の制御法の確立 高sensitivity、高局所性、高効率 高自立定常解の存在の有無確認
①プラズマの自己組織化に起因する振動 　②外部境界条件（壁、排気、燃料供給）の性質 　③α加熱の制御（電流ホール） 定常運転のシナリオ（確率的？）