トカマクの中性粒子密度とプラズマ密度

Neutral particle density and plasma density in tokamak

竹永 秀信

Takenaga, Hidenobu

自律性の高い燃焼プラズマにおいて、密度は外部からの制御が比較的容易な物理量であり、粒子制御は燃焼プラズマの制御にとって重要な要素である。最初にSlimCS設計パラメータ(2.95GW出力)での熱・粒子バランスについて考察した。トリチウムは少ない供給量で高い密度を維持するために主プラズマへ供給し、重水素は高密度とダイバータでの高リサイクリングを維持するために主プラズマ及び周辺プラズマへ供給することを想定する。主プラズマ供給粒子の閉じ込め時間を2s、周辺プラズマ供給粒子の閉じ込め時間を2ms、ダイバータでの排気効率を3%と仮定した場合の粒子バランスでは、重水素の総供給率はトリチウムの供給率より1桁以上大きくなることを定量的に示した。次に、炉心プラズマの密度分布と不純物輸送に関する実験・解析結果から、密度分布がピークするほど不純物が蓄積する傾向があるが、Arまでは許容範囲であることを示した。さらに、ペレット入射装置及びガスジェット装置を用いた場合の閉じ込め性能への影響について明らかにするとともに、燃焼模擬実験結果から密度だけでなく、閉じ込め性能や圧力分布等も考慮しつつ燃焼制御する必要があることを示した。

Particle control is important for control of burning plasma, because the plasma density is one of a few controllable parameters in the burning plasma which has a self-sustained system. Heat and particle balance was studied using Slim CS parameters, where tritium is fueled in the main plasma, and deuterium is fueled in both the main plasma and the edge plasma. When the confinement times for the particles fueled in the main and edge plasmas are assumed to be 2 s and 2 ms, respectively, and the divertor pumping fraction is assumed to be 3%, the total deuterium fueling rate is one order of magnitude larger than the tritium fueling rate. Although impurity is accumulated with a peaked density profile, accumulation level is acceptable for Ar. Effect of pellet injection and gas-jet on plasma confinement is discussed and it is suggested that burning plasma control taking account of plasma confinement and a pressure profile is necessary based on the burn simulation experiments.