Development of advanced operation scenarios in weak magnetic-shear regime on JT-60U

JT-60Uにおける弱磁気シア領域での先進運転シナリオの開発

鈴木 隆博; 大山 直幸; 諫山 明彦; 坂本 宜照; 藤田 隆明; 井手 俊介; 鎌田 裕; 内藤 磨; 末岡 通治; 森山 伸一; 花田 磨砂也; JT-60チーム

Suzuki, Takahiro; Oyama, Naoyuki; Isayama, Akihiko; Sakamoto, Yoshiteru; Fujita, Takaaki; Ide, Shunsuke; Kamada, Yutaka; Naito, Osamu; Sueoka, Michiharu; Moriyama, Shinichi; Hanada, Masaya; JT-60 Team

定常運転が必要とされる核融合炉にとって必須でありながら実現が困難であった定常性と経済性を同時に有するプラズマの開発に関する成果を報告する。定常性に関しては、(1)トランスの原理によらない完全非誘導電流駆動状態でかつ(2)プラズマの安定性を決定する電流分布の定常状態を実現し、しかも経済性にとって重要な二つの条件,(3)高い自発電流割合50%以上,(4)比較的低い安全係数q95=5.8を満たすプラズマを世界で初めて開発した。この領域は国際熱核融合実験炉(ITER)の定常運転シナリオで想定される領域であり、このような定常運転領域が存在するかは実証されていなかった。開発したプラズマは到達できる圧力の強い制限となるポロイダル=トロイダルモード数が1/1, 3/2, 2/1の電磁流体力学的(MHD)不安定性に対して安定となる適切な電流分布を高周波電流駆動及び中性粒子ビーム電流駆動により実現し維持しているという特筆すべき特徴を有する。このため達成した圧力(規格化圧力1.6)はMHD不安定性には制限されておらず、完全非誘導電流駆動が実現できる電流駆動パワーと高周波がプラズマに侵入できる密度により制限されている。上記の成果を得る過程では、電流分布が定常状態に達成していないプラズマも得られた。そのようなプラズマでは電流分布が変化することによってMHD不安定性の発生が観測された。これにより電流分布の定常性が重要であることを明確に示した。

Fully non-inductive discharge having a relaxed current profile and high bootstrap current fraction f=0.5 has been realized in the high- ELMy H-mode discharge with weak magnetic-shear having q=5.8, qmin=2.1, and q(0)=2.4, where qmin and q(0) are the safety factor q at the minimum and the plasma center, respectively. The rest of the plasma current is externally driven by neutral beams (NBs) and lower-hybrid (LH) waves. The safety factor profile evaluated by the motional Stark effect (MSE) diagnostic is kept unchanged during 0.7 s at the end of the full current drive (CD) sustainment for 2 s (1.5 times the current relaxation time ). The loop voltage profile is spatially uniform at 0 V at the end of the sustainment. This demonstration shows, for the first time, that the steady sustainment of ful-CD plasma is possible at high f=0.5 and reasonably low q=5.8 regime and is stably controlled by appropriate external current drivers. On the other hand, when the combination of bootstrap current and externally driven current does not match to the steady current profile, slight change in the current profile due to current relaxation resulted in appearance of magnetohydrodynamic (MHD) instability, e.g. neo-classical tearing mode (NTM), in a high beta plasma. This discharge clarifies importance of the demonstration of steady current profile developed here. These discharges contribute to the ITER steady-state operation scenario development.