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論文

Integrated simulation study of ELM pacing by pellet injection in ITER

林 伸彦; 相羽 信行; 滝塚 知典*; 大山 直幸

Contributions to Plasma Physics, 54(4-6), p.599 - 604, 2014/06

 パーセンタイル:100(Physics, Fluids & Plasmas)

Simulations with an integrated code TOPICS-IB showed that a small pellet can significantly reduce the ELM energy loss by penetrating deeply into the pedestal and triggering high-n ballooning modes localized near the pedestal top, with conditions; the injection from the low-field-side with a speed fast enough to approach the pedestal top when the pedestal pressure is about 95 % of natural ELM onset. The effectiveness of the above suitable conditions of pellet injection for ELM pacing has been confirmed by JT-60U and then ITER simulations. The pellet particle content required for ELM pacing is larger for the pedestal plasma with higher density and farther from the stability boundary of ideal ballooning mode near the pedestal top. For an ITER standard scenario, the required pellet particle content is about a few % of pedestal particle content, which gives the physics background to the present design value. Simulations also shows that fueling pellets can be injected from the high-field-side just after ELM pacing pellets without disturbing the pacing.

論文

Development of advanced inductive scenarios for ITER

Luce, T. C.*; Challis, C. D.*; 井手 俊介; Joffrin, E.*; 鎌田 裕; Politzer, P. A.*; Schweinzer, J.*; Sips, A. C. C.*; Stober, J.*; Giruzzi, G.*; et al.

Nuclear Fusion, 54(1), p.013015_1 - 013015_15, 2013/12

 被引用回数:14 パーセンタイル:23.25(Physics, Fluids & Plasmas)

The ITPA IOS group has coordinated experimental and modeling activity on the development of advanced inductive scenarios for applications in the ITER tokamak. This report documents the present status of the physics basis and the prospects for applications in ITER. The key findings are: (1) inductive scenarios capable of higher $$beta_{rm N} ge 2.4$$ than the ITER baseline scenario ($$beta_{rm N} = 1.8$$) with normalized confinement at or above the standard H-mode scaling have been established under stationary conditions on the four largest diverted tokamaks (AUG, DIII-D, JET, JT-60U) in a broad range in $$q_{rm 95}$$ and density; (2) MHD modes can play a key role in reaching stationary high performance, but also define the stability and confinement limits; (3) the experiments have yielded clearer measurements of the normalized gyroradius scalin; and (4) coordinated modeling activity supports the present research by clarifying the most significant uncertainties in the projections to ITER.

論文

Reduction of ELM energy loss by pellet injection for ELM pacing

林 伸彦; 相羽 信行; 滝塚 知典*; 大山 直幸

Nuclear Fusion, 53(12), p.123009_1 - 123009_10, 2013/12

 被引用回数:4 パーセンタイル:72.63(Physics, Fluids & Plasmas)

The reduction of ELM energy loss by pellet injection for ELM pacing has been studied by an integrated code TOPICS-IB. It is found that the energy loss can be siginificantly reduced by a small pellet injected from the low-field-side (LFS) with a speed fast enough to approach the pedestal top, which penetrates deeply into pedestal and triggers high-n ballooning modes with localized eigenfunctions near pedestal top, where n is the toroidal mode number. On the other hand, a small pellet injected from high-field-side triggers lower-n modes with wide eigenfunctions before the pellet penetrates deeply into pedestal, resulting in a large energy loss. The dependence of energy loss on pellet injection timing in one cycle of natural ELMs is studied. Early injection reduces energy loss because high magnetic shear prevents onset of lower-n modes, but leads to reduction of target pedestal pressure and enlargement of pellet size to trigger ELM. On the other hand, late injection induces a large energy loss comparable to a natural ELM. Therefore, LFS pellet injection to pedestal plasma equivalent to that at middle timing in a natural ELM cycle is found to be suitable for ELM pacing. With these suitable conditions, ELM pacing with reduced energy loss is successfully demonstrated in simulations, in which core density increase due to additional particle fueling by pacing pellet can be compensated by reducing gas puff and enhancing divertor pumping.

論文

Hydrogen isotope effects on ITG scale length, pedestal and confinement in JT-60 H-mode plasmas

浦野 創; 滝塚 知典*; 相羽 信行; 菊池 満; 仲野 友英; 藤田 隆明; 大山 直幸; 鎌田 裕; 林 伸彦; JT-60チーム

Nuclear Fusion, 53(8), p.083003_1 - 083003_8, 2013/08

 被引用回数:15 パーセンタイル:26.34(Physics, Fluids & Plasmas)

JT-60Uにおいて軽水素・重水素Hモードプラズマのエネルギー閉じ込め特性を調べた。重水素のエネルギー閉じ込め時間は軽水素のそれより約1.2-1.3倍長いことがわかった。プラズマ熱エネルギーを一定にした比較を行った場合、密度・温度分布が両者で一致したが、一方で軽水素時には高パワー入力を要した。そのときの軽水素のイオンの熱伝導流束は重水素時の約2倍であった。したがって、軽水素のイオン熱拡散係数も同様に約2倍に増加した。重水素のイオン温度勾配特性長は軽水素時と比較して約1.2倍程度短くなることを示した。また、ペデスタル圧力は水素同位体種によらず全ポロイダルベータによって決まることを示した。コア部の温度分布はペデスタル温度が境界条件となって決まり、一方でペデスタル圧力は全ポロイダルベータで決まるため、重水素時の短いITGスケール長によるコア部の高温化がコア部及びペデスタル部を含めた全領域での閉じ込め改善を引き起こしていることを示した。

論文

ELM triggering by energetic particle driven mode in wall-stabilized high-$$beta$$ plasmas

松永 剛; 相羽 信行; 篠原 孝司; 朝倉 伸幸; 諫山 明彦; 大山 直幸; JT-60チーム

Nuclear Fusion, 53(7), p.073046_1 - 073046_9, 2013/06

 被引用回数:2 パーセンタイル:86.48(Physics, Fluids & Plasmas)

In the JT-60U high-$$beta$$ plasmas above the no-wall $$beta$$ limit, a triggering of an edge localized mode (ELM) by an energetic particle (EP) driven mode has been observed. This EP-driven mode is thought to be driven by trapped EPs and it has been named EP driven wall mode (EWM) on JT-60U. When the EWM appears in an ELMy H-mode phase, ELM crashes are reproducibly synchronized with the EWM bursts. The EP-driven mode has a higher repetition frequency and less energy loss than those of the natural ELM. In order to trigger an ELM by the EP-driven mode, some conditions are thought to be needed, thus an EWM with large amplitude and growth rate, and marginal edge stability. In the scrape off layer region, several measurements indicate an ion loss induced by the Emote ion loss considered as the EP loss through the edge region can increase a local pressure gradient at the pedestal region, and then affect the edge stability.

論文

ITPA(国際トカマク物理活動)会合報告,40

諫山 明彦; 朝倉 伸幸; 林 伸彦; 篠原 孝司; 本多 充; 大山 直幸

プラズマ・核融合学会誌, 89(6), p.430 - 433, 2013/06

国際トカマク物理活動(ITPA)において、「スクレイプオフ層及びダイバータ物理」、「統合運転シナリオ」、「MHD安定性」、「高エネルギー粒子」、「輸送と閉じ込め物理」、「ペデスタル物理」に関するトピカルグループの会合が2013年3-4月に開催された。本稿はこれらの会合の報告である。今回の会合では、各トピカルグループにおける国際共同実験、ワーキンググループ活動、研究開発に関する報告のほか、ITERの運転初期からタングステン・ダイバータを導入したときの影響及び留意しておくべき点などについて議論が行われた。

論文

Resonant magnetic perturbation for ELM suppression with helical ferritic steel inserts in tokamak DEMO reactor

滝塚 知典*; 大山 直幸; 福田 武司*

Fusion Science and Technology, 63(1T), p.64 - 69, 2013/05

 被引用回数:1 パーセンタイル:84.29(Nuclear Science & Technology)

トカマク核融合炉のHモード運転において、ダイバータ板の損耗を増やすELMを除去することが必要である。これまでの実験で、分割コイルを用いて作った共鳴磁場摂動(RMP)によりELMを抑制することができた。しかし中性子束の大きいDEMO炉では、第一壁近傍にコイルを設置することは難しい。ここでわれわれは、トカマクDEMO炉に、コイルを置かず、フェライト鋼をヘリカル状に配置することでRMPを作る革新的方法を提案する。ヘリカル状のフェライト鋼設置(FSI)により、軸対称トロイダル磁場から自然にヘリカル摂動磁場が形成される。DEMO炉のプラズマペデスタル領域において、トロイダル磁場強度の数10$$^{-4}$$程度の摂動磁場振幅が容易に得られる。これはRMPによるELM抑制に十分な大きさである。

論文

若手による核融合炉実用化に向けた技術成熟度評価

笠田 竜太*; 後藤 拓也*; 藤岡 慎介*; 日渡 良爾*; 大山 直幸; 谷川 博康; 宮澤 順一*; 核融合炉実用化若手検討会*

プラズマ・核融合学会誌, 89(4), p.193 - 198, 2013/04

核融合炉若手実用化検討会等において技術成熟度評価(TRL)を若手有志により行ってきた。本報では、TRL評価法の概要を説明するとともに、本活動によって行われた我が国の核融合炉開発に対するTRL評価結果を示す。

論文

Reduction of ELM energy loss by pellet injection for ELM pacing

林 伸彦; 相羽 信行; 滝塚 知典*; 大山 直幸

Proceedings of 24th IAEA Fusion Energy Conference (FEC 2012) (CD-ROM), 8 Pages, 2013/03

The reduction of ELM energy loss by the pellet injection for ELM pacing has been studied by an integrated code TOPICS-IB. It is found that the energy loss can be reduced by a small pellet injected from the low-field-side (LFS), which penetrates deeply into the pedestal and triggers high-n ballooning modes with localized eigenfunctions near the pedestal top, where n is the toroidal mode number. On the other hand, a small pellet injected from the high-field-side triggers lower-n modes with wide eigenfunctions before the pellet penetrates deeply into the pedestal, resulting in a large energy loss. The dependence of energy loss on the pellet injection timing in one cycle of natural ELM is studied. Early injection reduces the energy loss because the high magnetic shear prevents the onset of lower-n modes, but leads to the reduction of target pedestal pressure and the enlargement of pellet size to trigger the ELM. On the other hand, the late injection induces a large energy loss comparable to the natural ELM. Therefore, the LFS pellet injection to the pedestal plasma equivalent to that at the middle timing in the natural ELM cycle is found to be suitable for ELM pacing. With these suitable conditions, the ELM pacing with the reduced energy loss is successfully demonstrated in simulations, in which the core density increase due to additional particle fueling by the pacing pellet can be compensated by reducing the gas puff and enhancing the divertor pumping.

論文

Dependence of heat transport and confinement on isotopic composition in conventional H-mode plasmas in JT-60U

浦野 創; 滝塚 知典*; 菊池 満; 仲野 友英; 藤田 隆明; 大山 直幸; 鎌田 裕; 林 伸彦; JT-60チーム

Proceedings of 24th IAEA Fusion Energy Conference (FEC 2012) (CD-ROM), 8 Pages, 2013/01

JT-60Uにおいて軽水素・重水素Hモードプラズマのエネルギー閉じ込め特性を調べた。重水素のエネルギー閉じ込め時間は軽水素のそれより約1.2-1.3倍長いことがわかった。プラズマ熱エネルギーを一定にした比較を行った場合、密度・温度分布が両者で一致したが、一方で軽水素時には高パワー入力を要した。そのときの軽水素のイオンの熱伝導流束は重水素時の約2倍であった。したがって、軽水素のイオン熱拡散係数も同様に約2倍に増加した。重水素のイオン温度勾配特性長は軽水素時と比較して約1.2倍程度短くなることを示した。

論文

Effects of local toroidal field ripple due to test blanket modules for ITER on radial transport of thermal ions

大山 直幸; 浦野 創; 篠原 孝司; 本多 充; 滝塚 知典; 林 伸彦; 鎌田 裕; JT-60チーム

Nuclear Fusion, 52(11), p.114013_1 - 114013_9, 2012/11

 被引用回数:3 パーセンタイル:80.51(Physics, Fluids & Plasmas)

ITERのテストブランケットモジュール(TBM)に起因する局所トロイダル磁場リップルが熱化イオンの径方向輸送に与える影響を完全3次元磁場起動追跡モンテカルロコード(F3D-OFMC)を使って調べた。ITERプラズマ条件下でのシミュレーションの結果、TBMの個数を増加すると、TBMに起因する局所トロイダル磁場リップルによる粒子損失が線形に増加することがわかった。一方、1つのTBMポートにおける局所磁場リップルの値を増加させた場合、粒子損失の増加はとても急であった。粒子損失量の比較から、ITERプラズマ条件であるTBMポート三か所は、1つのTBMポートのリップル率を1.7倍に増加したことに対応する。

論文

Numerical analysis of key factors for the appearance of grassy ELMs in tokamak plasmas

相羽 信行; 大山 直幸

Nuclear Fusion, 52(11), p.114002_1 - 114002_8, 2012/11

 被引用回数:11 パーセンタイル:41.72(Physics, Fluids & Plasmas)

運動論効果による安定性の変化を簡易的に取り入れたモデルを考案し、これを用いてトカマクプラズマにおける小振幅エッジローカライズモード(ELM)の一つであるgrassy ELMの発生条件に関する数値解析を行った。その結果、プラズマの圧縮性及び電子の反磁性ドリフト効果を考慮することで、これまでのELM安定性に対する運動論効果として想定されていた、イオン反磁性ドリフト効果による安定化がキャンセルされる場合があることを示し、これにより小振幅ELMの安定限界が理想バルーニングモードの安定限界に近づくことを明らかにした。この傾向は、JT-60U装置におけるgrassy ELMの運転領域とバルーニングモードの安定限界が近接していることと併せて、grassy ELMの原因がバルーニングモードをベースとしたプラズマ周辺領域に局在した短波長の電磁的不安定性であることを示している。

論文

Energy confinement of hydrogen and deuterium H-mode plasmas in JT-60U

浦野 創; 滝塚 知典*; 藤田 隆明; 鎌田 裕; 仲野 友英; 大山 直幸; JT-60チーム

Nuclear Fusion, 52(11), p.114021_1 - 114021_10, 2012/11

 被引用回数:10 パーセンタイル:45.26(Physics, Fluids & Plasmas)

軽・重水素Hモードプラズマのエネルギー閉じ込め特性を調べた。同一加熱パワー条件下において、重水素の蓄積エネルギーは軽水素の約1.7-2.0倍であった。同一の蓄積エネルギーでは、軽水素で必要なパワーは重水素の約1.7倍であり、同一の電子密度,電子温度,イオン温度の空間分布が得られた。セパラトリクスを通過するパワーを一定にすると、軽水素のELM周波数は重水素の約2倍であった。また、重水素のペデスタル圧力は軽水素の約2倍であり、特に周辺温度の増加によるものである。ペデスタル圧力は全ポロイダルベータに比例する関係が得られ、これは同位体の種類に依存しないことがわかった。

論文

Modifications to the edge radial electric field by angular momentum injection in JT-60U and their implication for pedestal transport

神谷 健作; 本多 充; 宮戸 直亮; 浦野 創; 吉田 麻衣子; 坂本 宜照; 松永 剛; 大山 直幸; 小出 芳彦; 鎌田 裕; et al.

Nuclear Fusion, 52(11), p.114010_1 - 114010_12, 2012/10

 被引用回数:9 パーセンタイル:49.26(Physics, Fluids & Plasmas)

JT-60UのNBI加熱プラズマにおけるType-I ELMy Hモードの周辺径電場構造について報告する。径電場は荷電交換分光計測による炭素イオンのトロイダル、ポロイダル及び反磁性フローの径方向の力の釣り合いから評価した。本研究では、NBIによる外部運動量入力方向を変化させた場合のType-I ELM発生直前の電場シアとイオン温度ペデスタル構造との関係に着目している。運動量入射方向に応じてトロイダル流だけでなくポロイダル流の変化が観測された。その結果、co-NBIの場合には電場シア領域が広がり、counter-NBIの場合には電場の井戸が深くなった。電流方向への運動量入射とともにイオン温度ペデスタル幅が広がる事はE$$times$$Bシア領域の拡大結果と矛盾しない。しかし運動量入射方向の違いによって電場シア構造が大きく異なるにもかかわらず最大イオン温度勾配には大きな変化は観測されていない。

論文

The Unified effect of counter-toroidal rotation and power across separatrix on type-I ELMs in JT-60U

浦野 創; 大山 直幸; 神谷 健作; 相羽 信行; 鎌田 裕; 藤田 隆明; JT-60チーム

Nuclear Fusion, 52(10), p.103012_1 - 103012_7, 2012/10

 被引用回数:2 パーセンタイル:86.92(Physics, Fluids & Plasmas)

逆方向トロイダル回転とセパラトリクスを通過するパワーによるType-I ELM特性に対する統合的効果をJT-60U装置を用いて調べた。実験はプラズマ電流に対して順方向、無回転、逆方向の接線NBを入射し、その後垂直NBを用いたパワースキャンを実施した。ELM周波数はセパラトリクスを通過するパワーをとともに単調増加したが、垂直NBの入射時には比例関係よりも強い依存性が観測された。これは、垂直NBを入射すると、周辺部でのトロイダル回転速度を逆方向へシフトすることが原因であり、周辺トロイダル回転速度を一定にするとELM周波数は、接線NBの入射方向によらず、セパラトリクスを通過するパワーに比例することがわかった。

論文

Small ion-temperature-gradient scale length and reduced heat diffusivity at large hydrogen isotope mass in conventional $$H$$-mode plasmas

浦野 創; 滝塚 知典*; 菊池 満; 仲野 友英; 林 伸彦; 大山 直幸; 鎌田 裕

Physical Review Letters, 109(12), p.125001_1 - 125001_5, 2012/09

 被引用回数:13 パーセンタイル:31.02(Physics, Multidisciplinary)

標準的Hモードプラズマにおけるイオン温度勾配特性長に対する水素同位体質量依存性をJT-60Uトカマクで調べた。軽・重水素プラズマで同一の密度・温度分布が得られたが、同一の熱化蓄積エネルギーを維持するために必要な軽水素時のイオン熱伝導流束は重水素時に対して2倍となった。同時に、同一のイオン温度勾配特性長に対して軽水素時のイオン熱拡散係数は重水素時の2倍であった。イオン熱拡散係数同一の条件下では、重水素時のイオン温度勾配特性長は軽水素時のそれよりも短くなることがわかった。

論文

ITPA(国際トカマク物理活動)会合報告,36

大山 直幸; 篠原 孝司; 諫山 明彦; 吉田 麻衣子; 神谷 健作

プラズマ・核融合学会誌, 88(5), p.282 - 285, 2012/05

2012年3月から4月にかけて高エネルギー粒子物理トピカルグループ、MHD安定性トピカルグループ、ペデスタル物理トピカルグループ、輸送と閉じ込め物理トピカルグループの会合が開催された。高エネルギー粒子物理トピカルグループとMHD安定性トピカルグループの会合は、核融合科学研究所で日米MHDワークショップとの合同会合として開催された。また、ペデスタル物理トピカルグループと、輸送と閉じ込め物理トピカルグループの会合は、中国合肥の等離子体物理研究所で一部合同会合として開催された。各会合では、ITERの物理課題に対する各研究機関における最新の研究成果や国際装置間比較実験の結果が報告・議論された。これらの会合の概要をまとめて報告する。なお、次回会合は、2012年10月に米国サンディエゴで開催される第24回IAEA核融合エネルギー会議の翌週に一部合同会合として開催する予定である。

論文

Core and edge toroidal rotation study in JT-60U

吉田 麻衣子; 坂本 宜照; 本多 充; 鎌田 裕; 竹永 秀信; 大山 直幸; 浦野 創; JT-60チーム

Nuclear Fusion, 52(2), p.023024_1 - 023024_9, 2012/02

 被引用回数:7 パーセンタイル:58.62(Physics, Fluids & Plasmas)

JT-60装置において、摂動輸送解析と定常輸送解析,LH遷移時のプラズマの応答特性,パラメータスキャンといったさまざまな実験及び解析手法を組合せることで、Hモードプラズマにおけるプラズマコア部と周辺部のトロイダル回転の関係,圧力勾配による自発回転の特性を調べて、次のような結果を得た。(1)自発回転の影響の小さいHモードプラズマでは、コア部と周辺部の回転はほぼ線形に相関しており、LH遷移時の周辺からコアに伝搬する回転の時間変化や、定常状態でのコア部と周辺部の回転の相関は、今まで導出した運動量輸送係数(拡散項と対流項)で説明ができる。(2)自発回転が顕著な場合には、圧力勾配と運動量拡散係数の積で表した残留応力項を考えることで圧力勾配が大きいさまざまなHモードプラズマにおいて、トロイダル回転分布データを再現することを示した。

論文

Energy confinement characterization of hydrogen and deuterium H-mode plasmas in JT-60U tokamak

浦野 創; 滝塚 知典*; 菊池 満; 仲野 友英; 藤田 隆明; 林 伸彦; 大山 直幸; 鎌田 裕; JT-60チーム

Europhysics Conference Abstracts (Internet), 36F, p.P1.016_1 - P1.016_4, 2012/00

JT-60Uにおいて軽水素・重水素Hモードプラズマのエネルギー閉じ込め特性を調べた。重水素のエネルギー閉じ込め時間は軽水素のそれより約1.2-1.3倍長いことがわかった。プラズマ熱エネルギーを一定にした比較を行った場合、密度・温度分布が両者で一致したが、一方で軽水素時には高パワー入力を要した。そのときの軽水素のイオンの熱伝導流束は重水素時の約2倍であった。したがって、軽水素のイオン熱拡散係数も同様に約2倍に増加した。重水素のイオン温度勾配特性長は軽水素時と比較して約1.2倍程度短くなることを示した。

論文

Edge pedestal characteristics in JET and JT-60U tokamaks under variable toroidal field ripple

浦野 創; Saibene, G.*; 大山 直幸; Parail, V.*; de Vries, P.*; Sartori, R.*; 鎌田 裕; 神谷 健作; Loarte, A.*; L$"o$nnroth, J.*; et al.

Nuclear Fusion, 51(11), p.113004_1 - 113004_10, 2011/11

 被引用回数:6 パーセンタイル:64.22(Physics, Fluids & Plasmas)

JET及びJT-60Uにおいてトロイダル磁場リップルのスキャン実験を実施し、トロイダル磁場リップルによる周辺ペデスタル構造への影響を評価した。トロイダル磁場リップルは赤道面外側のセパラトリクス上で定義した。JT-60Uではフェライト鋼導入によってトロイダル磁場リップルは$$1%$$から$$0.6%$$に低減し、一方JETではコイル電流の調整によって$$0.1%$$から$$1%$$まで変化させた。JT-60Uではフェライト鋼導入によってペデスタル圧力に大きな差異は見られなかった。同様にJETでもペデスタル部の密度・温度に差異が見られなかった。しかし両装置ともに周辺トロイダル回転速度はリップルの増大とともに逆方向にシフトした。JT-60UではELM周波数がリップルとともに増大したが、JETでは変化が観測されなかった。この装置間比較実験の結果から、$$1%$$以下のトロイダル磁場リップルは周辺ペデスタル構造に大きな影響を与えないことが示された。しかし、ITERのような低衝突周波数領域での影響については今後の課題である。

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