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論文

Turbulent transport reduction induced by transition on radial electric field shear and curvature through amplitude and cross-phase in torus plasma

小林 達哉*; 伊藤 公孝*; 井戸 毅*; 神谷 健作*; 伊藤 早苗*; 三浦 幸俊; 永島 芳彦*; 藤澤 彰英*; 稲垣 滋*; 居田 克巳*

Scientific Reports (Internet), 7(1), p.14971_1 - 14971_8, 2017/11

 被引用回数:4 パーセンタイル:27.2(Multidisciplinary Sciences)

Spatiotemporal evolutions of radial electric field and turbulence are measured simultaneously in the H-mode transition, which is a prototypical example of turbulence structure formation in high-temperature plasmas. In the dynamical phase where transport barrier is established abruptly, the time-space-frequency-resolved turbulent particle flux is obtained. Here we report the validation of the mechanism of transport barrier formation quantitatively. It is found that the particle flux is suppressed predominantly by reducing density fluctuation amplitude and cross phase between density fluctuation and potential fluctuation. Both radial electric field shear and curvature are responsible for the amplitude suppression as was predicted by theory. Turbulence amplitude reduction immediately responds to the growth of the radial electric field non-uniformity and saturates, while cross phase continuously approaches zero.

論文

Experimental identification of electric field excitation mechanisms in a structural transition of tokamak plasmas

小林 達哉*; 伊藤 公孝*; 井戸 毅*; 神谷 健作; 伊藤 早苗*; 三浦 幸俊; 永島 芳彦*; 藤澤 彰英*; 稲垣 滋*; 居田 克巳*; et al.

Scientific Reports (Internet), 6, p.30720_1 - 30720_7, 2016/08

 被引用回数:7 パーセンタイル:29.51(Multidisciplinary Sciences)

本レターでは2段階でのL-H遷移時に発生する径電場に関して物理モデルの検証を報告する。ポワソン方程式の時間微分項を評価したところ、ロスコーン損失と新古典粘性による径電流が1段目の遷移時に観測されるものと一致した。2段目の遷移時とLモードにおける径電流は、非両極性条件では説明できないことがわかった。

論文

Dynamics of edge limit cycle oscillation in the JFT-2M tokamak

小林 達哉*; 伊藤 公孝*; 井戸 毅*; 神谷 健作; 伊藤 早苗*; 三浦 幸俊; 永島 芳彦*; 藤澤 彰英*; 稲垣 滋*; 居田 克巳*; et al.

Nuclear Fusion, 54(7), p.073017_1 - 073017_14, 2014/07

 被引用回数:16 パーセンタイル:19.2(Physics, Fluids & Plasmas)

JFT-2MトカマクのLH遷移直前において、種々のパラメータにリミットサイクル振動が観測された。リミットサイクル振動の時間的、空間的ダイナミクスを詳細に解析したところ、帯状流は観測されず、プラズマ周辺部に局在化したポロイダルフローと密度勾配の振動が存在することが明らかとなった。その振動は乱流の原因と考えられるレイノルズストレスにも観測されているが、平均的なプラズマフローの駆動力としては小さい。密度勾配の内向きの伝搬と小さい乱流粒子束も観測されており、乱流拡散理論と比較した実験的検証結果を報告する。

論文

Edge radial electric field formation after the L-H transition on JT-60U

神谷 健作; 松永 剛; 本多 充; 宮戸 直亮; 浦野 創; 鎌田 裕; 居田 克巳*; 伊藤 公孝*; JT-60チーム

Contributions to Plasma Physics, 54(4-6), p.591 - 598, 2014/06

 被引用回数:6 パーセンタイル:54.02(Physics, Fluids & Plasmas)

JT-60U装置において観測されたL-H遷移における径電場構造について報告する。本発表では、無次元量であるポロイダルマッハ数に着目し、通常のトカマク型装置において観測される閉じ込め時間よりも十分短い時間スケールのL-H遷移現象とJT-60Uで観測される閉じ込め時間程度の長い時間スケールのL-H遷移現象を比較する。さらに、長い時間スケールのL-H遷移に続いて観測されるHモード中における短い時間スケールの多段階電場遷移のメカニズムについて、同一条件でもHモード中の多段階電場遷移現象の無い場合とプラズマ分布や乱流状態を詳細に比較することで、その発生条件を探り、また理論モデルとも比較する。

論文

Spatiotemporal structures of edge limit-cycle oscillation before L-to-H transition in the JFT-2M tokamak

小林 達哉*; 伊藤 公孝*; 井戸 毅*; 神谷 健作; 伊藤 早苗*; 三浦 幸俊; 永島 芳彦*; 藤澤 彰英*; 稲垣 滋*; 居田 克巳*; et al.

Physical Review Letters, 111(3), p.035002_1 - 035002_5, 2013/07

 被引用回数:65 パーセンタイル:4.57(Physics, Multidisciplinary)

本研究では、JFT-2Mトカマク装置における重イオンビームプローブ計測によるプラズマ空間電位と乱流揺動の高速、高空間分解能での同時計測に基づく実験研究である。LH遷移前に観測されるリミットサイクル振動における乱流揺動の時空間ダイナミックスについて報告する。帯状流はリミットサイクル振動発生時には観測されず、周辺部の平均的なプラズマ流が輸送障壁の過渡的な形成と崩壊とともに観測された。レイノルズストレス振動は極めて小さく、リミットサイクル振動に伴うプラズマ流の駆動機構には寄与していない。密度勾配と乱流揺動の強度がプラズマコア部へ弾道的に伝搬することが観測され、Hモード遷移後のプラズマコア部における速い輸送の変化と関係していることが示唆された。

論文

フローパターンが見出す3次元MHD平衡のプラズマ境界

居田 克巳; 神谷 健作; 鈴木 康浩*

プラズマ・核融合学会誌, 89(5), p.319 - 327, 2013/05

LHDにおける荷電交換分光計測による周辺径電場計測に基づく最外殻磁気面位置(LCFS)の新しい決定手法について解説する。われわれは、周辺電場シアーの極大値位置が真空磁場のLCFSと近い位置付近に常に存在することを1%以下の低ベータプラズマで観測した。そこで、電場シアーの極大値位置が実効的なLCFS位置に対応するという仮説を立て、それを実証するために、広範囲のパラメータスキャン実験を実施し、ベータの上昇とともに電場シアーの極大値位置の外側へのシフトを確認し、約3%までの高ベータプラズマでも本手法が適用可能であることを見いだした。これは、LCFS近傍における開いた磁気面では電子損失によって正電場構造が形成されているためと考えられる。3次元MHD平衡計算による磁力線の連結長との比較についても言及する。

論文

Characterization of edge radial electric field structures in the large helical device and their viability for determining the location of the plasma boundary

神谷 健作; 居田 克巳*; 吉沼 幹朗*; 鈴木 千尋*; 鈴木 康浩*; 横山 雅之*; LHD実験グループ*

Nuclear Fusion, 53(1), p.013003_1 - 013003_9, 2013/01

 被引用回数:14 パーセンタイル:28.64(Physics, Fluids & Plasmas)

本研究ではLHDにおけるCXS計測による周辺径電場計測に基づく最外殻磁気面位置(LCFS)の新しい決定手法について提案する。われわれは周辺電場シアの最大値位置が真空磁場のLCFSから数cm外側にあることを1%以下の低ベータプラズマにて確認した。さらにパラメータスキャン実験によって、約3%程度までの高ベータプラズマでも適用可能であることを見いだした。また、3%から5%の超高ベータ領域では、有限ベータ効果に起因すると考えるLCFSの外向きシフトに飽和傾向が観測された。開いた磁気面における電子損失の観点からLCFS近傍における正電場構造が形成されていると考えられ、トムソン散乱計測による磁気軸位置及び電子系蓄積エネルギーの99%位置との比較についても言及している。

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

Reduction of ion thermal diffusivity inside a magnetic island in JT-60U tokamak plasma

居田 克巳*; 神谷 健作; 諫山 明彦; 坂本 宜照; JT-60チーム

Physical Review Letters, 109(6), p.065001_1 - 065001_4, 2012/08

 被引用回数:28 パーセンタイル:15.97(Physics, Multidisciplinary)

$$H$$モードから$$L$$モードへの逆遷移時における過渡的な磁気島内における輸送研究結果であり、磁気島外の温度の急降下によって、磁気島内の$$O$$点におけるイオン温度の尖塔化を観測した。尖塔化したイオン温度の長い減衰はイオン輸送の低減を示唆するものである。また磁気島内の径方向熱流束が磁気島外より小さくなっており、熱流束の主成分は磁気島のX点を横切っていることによるものと考えられる。

論文

1st Asia-Pacific Transport Working Group (APTWG) Meeting

居田 克巳*; Dong, J. Q.*; 菊池 満; Kwon, J. M.*; Diamond, P. H.*

Nuclear Fusion, 52(2), p.027001_1 - 027001_10, 2012/02

本会議報告は、2011年6月14-17日に土岐で開催された第1回アジア・太平洋輸送作業部会での発表と議論をまとめたものである。本会議のトピックスは運動量輸送,非局所輸送,周辺乱流とL-H遷移,輸送の3次元効果である。本会合での始められた活動も記載した。

論文

Spatio-temporal structure of the edge radial electric field during H-mode in JT-60U

神谷 健作; 坂本 宜照; 松永 剛; 小島 有志; 浦野 創; 大山 直幸; 小出 芳彦; 鎌田 裕; 居田 克巳*; Kurki-Suonio, T.*; et al.

Nuclear Fusion, 51(5), p.053009_1 - 053009_3, 2011/05

 被引用回数:12 パーセンタイル:40.65(Physics, Fluids & Plasmas)

高イオン温度モードにおけるイオンのダイナミックスについて、2段階で閉じ込め改善モードへ遷移する現象を新しいCXRSシステムで測定した。異なる電場強度を持つ2状態が観測され、一方は大きなポロダル回転なしでイオン温度勾配が大きい状態で中間状態の電場構造、他方は大きなポロイダル回転によって深い電場が形成される。中間状態から完全状態への遷移には径電場シアによる乱流の抑制が本質的である可能性がある。

論文

Integrated transport simulation of LHD plasmas using TASK3D

若狭 有光*; 福山 淳*; 村上 定義*; 三木 真幸*; 横山 雅之*; 佐藤 雅彦*; 登田 慎一郎*; 舟場 久芳*; 田中 謙治*; 居田 克巳*; et al.

Proceedings of 23rd IAEA Fusion Energy Conference (FEC 2010) (CD-ROM), 8 Pages, 2011/03

An integrated transport simulation code for helical plasmas, TASK3D, is developed and applied to LHD plasmas. Neoclassical transport in helical plasmas is evaluated by the neutral-network-based neoclassical transport database, DGN/LHD. Five anomalous transport models are included and the estimated temperature profiles with experiments are compared. We also take into account the differential equation for the radial electric field $$E_r$$ into TASK3D. The obtained electron and ion thermal diffusivities with the Alcator, Bohm, and gyro-Bohm models indicate anomalous thermal transport dominates for electrons, while neoclassical thermal transport plays a crucial role for ions. TASK/TX, solving surface-averaged multi-fluid equations, is also applied to the LHD plasma to examine the time evolution of $$E_r$$ and plasma rotation. The transition between the electron and ion roots, and the radial structure of $$E_r$$ has been demonstrated self-consistently.

論文

Observation of a complex multistage transition in the JT-60U $$H$$-mode edge

神谷 健作; 居田 克巳*; 坂本 宜照; 松永 剛; 小島 有志; 浦野 創; 大山 直幸; 小出 芳彦; 鎌田 裕

Physical Review Letters, 105(4), p.045004_1 - 045004_4, 2010/07

 被引用回数:27 パーセンタイル:18.3(Physics, Multidisciplinary)

Transition between intermediate $$H$$-phase and complete $$H$$-phase is observed in JT-60U ELM-free $$H$$-mode. The intermediate $$H$$-phase is characterized by the large ion temperature gradients without significant poloidal rotation of impurity species (and with moderate magnitude of radial electric field), while the complete $$H$$-phase is characterized by the large radial electric field where the both density and temperature (and hence, pressure) gradients could increase. This observation shows there are two discrete phases with different magnitude of radial electric field in the ELM-free $$H$$-mode.

論文

Dynamics of ion internal transport barrier in LHD heliotron and JT-60U tokamak plasmas

居田 克巳*; 坂本 宜照; 吉沼 幹朗*; 竹永 秀信; 永岡 賢一*; 林 伸彦; 大山 直幸; 長壁 正樹*; 横山 雅之*; 舟場 久芳*; et al.

Nuclear Fusion, 49(9), p.095024_1 - 095024_9, 2009/09

 被引用回数:23 パーセンタイル:25.42(Physics, Fluids & Plasmas)

LHDヘリオトロン装置とJT-60Uトカマク装置におけるイオン系内部輸送障壁形成と不純物輸送のダイナミックスの比較について分析した。特に、両装置においてイオン温度等を測定する荷電交換分光装置の高性能化が行われ、次のような新しい知見を得ることができた。まず、内部輸送障壁の形成位置について、JT-60Uでは形成位置が外側へ拡大しつつ局在化するが、LHDではターゲットプラズマに依存して内側あるいは外側に移動する。また、不純物輸送に関しては、JT-60Uでは内向きの対流があるのに対して、LHDでは外向きの対流によって不純物ホールが形成されることを明らかにした。LHDにおいて観測された外向きの対流は、新古典理論の予想と相反しており、今後さらなる分析を行う予定である。

論文

Dynamic transport study of the plasmas with transport improvement in LHD and JT-60U

居田 克巳*; 坂本 宜照; 稲垣 滋*; 竹永 秀信; 諫山 明彦; 松永 剛; 坂本 隆一*; 田中 謙治*; 井手 俊介; 藤田 隆明; et al.

Nuclear Fusion, 49(1), p.015005_1 - 015005_7, 2009/01

 被引用回数:12 パーセンタイル:47.52(Physics, Fluids & Plasmas)

LHDとJT-60Uの内部輸送障壁プラズマにおけるダイナミック輸送解析について述べる。ダイナミック輸送解析とは、外部加熱による過渡応答中の輸送解析である。両装置において、内部輸送障壁プラズマへの遷移に伴い、その内側領域における温度分布の平坦化(輸送の増大)を同定した。また、内部輸送障壁領域の温度分布の曲率が正から負へ自発的に遷移する現象を観測した。これらの現象は、今後さらなる分析を要するが、空間的な乱流輸送の強い相互作用を示唆している。

論文

Experimental investigation of particle pinch associated with turbulence in LHD heliotron and JT-60U tokamak plasmas

田中 謙治*; 竹永 秀信; 村岡 克紀*; Michael, C.*; Vyacheslavov, L. N.*; 横山 雅之*; 山田 弘司*; 大山 直幸; 浦野 創; 鎌田 裕; et al.

Proceedings of 22nd IAEA Fusion Energy Conference (FEC 2008) (CD-ROM), 8 Pages, 2008/10

トロイダルプラズマにおける密度分布を決定するパラメータを明らかにするために、LHDヘリカルプラズマとJT-60Uトカマクプラズマの比較研究を行った。両装置において異なる密度分布の衝突周波数依存性が観測された。LHDプラズマでは、衝突周波数が減少するにしたがって磁気軸位置R$$_{rm ax}$$=3.6mでは密度分布のピーキング度が減少し、R$$_{rm ax}$$=3.5mではわずかに増加した。一方、JT-60Uでは衝突周波数が減少するにしたがって密度分布のピーキング度は増加した。LHDプラズマでのR$$_{rm ax}$$の違いによる衝突周波数依存性の違いは、乱流輸送の寄与の違いであると考えられる。R$$_{rm ax}$$=3.5mのLHDプラズマでは、大きな乱流輸送がトカマクと同様な衝突周波数依存性を作り出している。両装置のコア領域において、密度分布が違う場合に揺動の変化が観測されている。JT-60Uでは、密度分布がピーキングした場合に径方向の相関が強くなることが観測された。このことから、粒子拡散と内向き対流速度が増大していることが示唆される。R$$_{rm ax}$$=3.6mのLHDプラズマでは、揺動レベルの増加がホローな密度分布を持つ高パワー加熱時に観測され、拡散の増加を示唆している。ピークした密度分布からホローな密度分布への変化は、新古典輸送の寄与増大による対流速度の内向きから外向きへの変化により引き起こされている。以上の結果よりLHDプラズマの密度分布の衝突周波数依存性は、新古典輸送と乱流輸送の両方によるものであることを明らかにした。

論文

Transition between internal transport barriers with different temperature-profile curvatures in JT-60U tokamak plasmas

居田 克巳; 坂本 宜照; 竹永 秀信; 大山 直幸; 伊藤 公孝*; 吉沼 幹朗*; 稲垣 滋*; 小渕 隆*; 諫山 明彦; 鈴木 隆博; et al.

Physical Review Letters, 101(5), p.055003_1 - 055003_4, 2008/08

 被引用回数:24 パーセンタイル:22.27(Physics, Multidisciplinary)

JT-60Uトカマクの負磁気シアプラズマの内部輸送障壁において、異なるイオン温度分布の空間2回微分で特徴付けられる2つの準安定状態間を自発的に遷移する現象が観測された。遷移フェーズでは、イオン温度分布の空間2回微分から評価した曲率の非対称係数が、対称曲率の場合の0.08から非対称曲率の場合の-0.43に変化する。

論文

Particle transport and fluctuation characteristics around the neoclassically optimized configurations in LHD

田中 謙治*; Michael, C.*; Vyacheslavov, L. N.*; 横山 雅之*; 村上 定義*; 若狹 有光*; 竹永 秀信; 村岡 克紀*; 川端 一男*; 徳沢 季彦*; et al.

Plasma and Fusion Research (Internet), 3, p.S1069_1 - S1069_7, 2008/08

LHDでの密度分布の測定結果と密度変調実験で評価した粒子輸送係数について報告する。磁気軸位置,トロイダル磁場,加熱パワーを変えたデータセットを用いることにより、さまざまな新古典輸送レベルに対して解析を行った。新古典輸送が極小化された配位(磁気軸位置3.5m,トロイダル磁場2.8T)では、ピークした密度分布が観測された。このとき、ピーキング係数は衝突周波数の減少に対して緩やかに増加しており、この傾向はJT-60Uでの測定結果と同様である。そのほかの条件では、ピーキング度は衝突周波数の減少とともに低減した。新古典輸送の寄与が大きい場合は、ホローな密度分布が観測されている。新古典輸送理論と実験で評価した粒子輸送係数の比較から、極小化の条件は両者で異なることを明らかにした。このことは、新古典輸送の極小化が、乱流輸送の極小化と異なることを示唆している。ホローな密度分布とピークした密度分布では、乱流揺動の空間分布が異なっていることが観測された。この乱流揺動は、イオン温度勾配モードが不安定な領域で存在している。

論文

ITPA(国際トカマク物理活動)会合報告,22

竹永 秀信; 小川 雄一*; 滝塚 知典; 矢木 雅敏*; 山田 弘司*; 坂本 宜照; 東井 和夫*; 福田 武司*; 福山 淳*; 藤田 隆明; et al.

プラズマ・核融合学会誌, 84(7), p.465 - 467, 2008/07

2008年の春季に、ITPAに関する5つの会合が開催された。「閉じ込めデータベースとモデリング」と「輸送物理」の2会合は、オークリッジ国立研究所で行われ、グループ間の合同会合も多数開かれた。「MHD」の会合は日本原子力研究開発機構の那珂核融合研究所で開催され、日本側参加者は30名を超えた。「周辺及びペデスタルの物理」の会合は、サンディエゴのジェネラルアトミックス社で行われた。「定常運転」の会合は、ケンブリッジのマサチューセッツ工科大学で行われた。次回会合は、「輸送物理」「閉じ込めデータベースとモデリング」と「周辺及びペデスタルの物理」が合同で2008年10月20-23日(「周辺及びペデスタルの物理」は10月20-22日)にイタリアのミラノで、「MHD」と「定常運転」が合同で2008年10月20-22日にスイスのローザンヌにて開催される予定である。

論文

Measurement of derivative of ion temperature using high spatial resolution charge exchange spectroscopy with space modulation optics

居田 克巳; 坂本 宜照; 吉沼 幹朗*; 稲垣 滋*; 小渕 隆*; 松永 剛; 小出 芳彦

Review of Scientific Instruments, 79(5), p.053506_1 - 053506_6, 2008/05

 被引用回数:13 パーセンタイル:38.99(Instruments & Instrumentation)

空間モジュレーション光学系を有する荷電交換再結合分光システムを用いてイオン温度の空間1回微分と2回微分を測定する手法を新たに開発した。この放置では、光ファイバーバンドルの前面に設置した対物レンズをピエゾ駆動装置を用いて30Hzで0.5mm移動させることで、プラズマ上の測定位置を6cmスキャンすることができる。フーリエ解析を用いて、測定されたイオン温度のモジュレーション成分からイオン温度の空間1回微分と空間2回微分を導出した。

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