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論文

Advance in integrated modelling towards prediction and control of JT-60SA plasmas

林 伸彦; 本多 充; 白石 淳也; 宮田 良明; 若月 琢馬; 星野 一生; 藤間 光徳; 鈴木 隆博; 浦野 創; 清水 勝宏; et al.

Europhysics Conference Abstracts (Internet), 39E, p.P5.145_1 - P5.145_4, 2015/06

Towards prediction and control of JT-60SA plasmas, we are developing codes/models which can describe physics/engineering factors, and integrating them to one code TOPICS. Physics modelling: Coupling with MINERVA/RWMaC code showed that MHD equilibrium variation by centrifugal force largely affects RWM stability and the toroidal rotation shear stabilizes RWM. Coupling with OFMC code for NB torques, 3D MHD equilibrium code VMEC and drift-kinetic code FORTEC-3D for NTV torque, and toroidal momentum boundary model, predicted the core rotation of $$sim$$2% of Alfv$'e$n speed for a ITER hydrogen L-mode plasma. Coupling with core impurity transport code IMPACT showed the accumulation of Ar seeded to reduce the divertor heat load is so mild that plasma performance can be recovered by additional heating in JT-60SA steady-state (SS) scenario. Simulations coupled with MARG2D code showed that plasma current can be ramped-up to reach $$beta_N ge$$3 with MHD modes stabilized by ideal wall and with no additional flux consumption of central solenoid in JT-60SA. Engineering modelling: Coupling with integrated real-time controller showed that simultaneous control of $$beta_N$$ and $$V_{loop}$$ is possible at $$beta_N ge$$4 in JT-60SA SS scenarios. MHD equilibrium control simulator MECS demonstrated equilibrium control during heating phase and collapse induced events within power supply capability of PF coils in JT-60SA.

論文

Current ramp-up scenario with reduced central solenoid magnetic flux consumption in JT-60SA

若月 琢馬; 鈴木 隆博; 林 伸彦; 白石 淳也; 井手 俊介; 高瀬 雄一*

Europhysics Conference Abstracts (Internet), 39E, p.P5.144_1 - P5.144_4, 2015/06

We have investigated reduction of the CS flux required in the plasma current ramp-up phase using non-inductive current drive in JT-60SA with an integrated modeling code suite (TOPICS). JT-60SA will be equipped with various types of neutral beams different in the beam trajectories and energies (85 keV and 500 keV). We have made a scenario in which the plasma current is ramped up from 0.6 MA to 2.1 MA in 150 s with no additional CS flux consumption by overdriving the plasma current ($$I_{rm NI} > I_{rm p}$$, $$I_{rm NI}$$ : non-inductively driven current and $$I_{rm p}$$ : plasma current) with neutral-beam-driven and bootstrap current. In order to achieve the current overdrive condition from 0.6 MA, the current drive by the lower energy neutral beam injection (85 keV) is effective. The higher energy neutral beam injection (500 keV) cannot be utilized in this early phase with a low plasma density due to a large shine through loss, while it can effectively be utilized in the later phase. We have also investigated ideal MHD instabilities using a linear ideal MHD stability analysis code (MARG2D). External kink modes can be stabilized in most of the time during the current ramp-up if there is a perfect conducting wall.

論文

Simulation of plasma current ramp-up with reduced magnetic flux consumption in JT-60SA

若月 琢馬; 鈴木 隆博; 林 伸彦; 白石 淳也; 井手 俊介; 高瀬 雄一*

Plasma Physics and Controlled Fusion, 57(6), p.065005_1 - 065005_12, 2015/06

 被引用回数:7 パーセンタイル:53.27(Physics, Fluids & Plasmas)

Current ramp-up with reduced central solenoid (CS) flux consumption in JT-60SA has been investigated using an integrated modeling code suite (TOPICS) with a turbulent model (CDBM). The plasma current can be ramped-up from 0.6 MA to 2.1 MA with no additional CS flux consumption if the plasma current is overdriven by neutral-beam-driven and bootstrap current. The time duration required for the current ramp-up without CS flux consumption becomes as long as 150s. In order to achieve the current overdrive condition from 0.6 MA, the current drive by a lower energy neutral beam (85 keV) is effective. A higher energy neutral beam (500 keV) cannot be utilized in this early phase due to large shine through loss, while it can be effectively utilized in the later phase. Therefore, the main current driver should be switched from the lower energy neutral beam to the higher energy neutral beam during the current ramp-up phase. As a result of an intensive auxiliary heating needed to overdrive the plasma current, plasma beta becomes high. Ideal MHD stabilities of such high beta plasmas have been investigated using a linear ideal MHD stability analysis code (MARG2D). External kink modes can be stabilized in most of the time during the current ramp-up if there is a perfectly conducting wall at the location of the stabilizing plate and the vacuum vessel of JT-60SA and the plasma has a broader pressure profile.

論文

Extension of kinetic-magnetohydrodynamic model to include toroidal rotation shear effect and its application to stability analysis of resistive wall modes

白石 淳也; 宮戸 直亮; 松永 剛; 本多 充; 林 伸彦; 井手 俊介

Proceedings of 25th IAEA Fusion Energy Conference (FEC 2014) (CD-ROM), 8 Pages, 2014/10

トカマクプラズマにおいて発生する電磁流体力学(MHD: Magnetohydrodynamics)モードに対する、トロイダル回転シア効果及び運動論的効果を解明するため、運動論的MHDモデルの拡張を行った。回転の効果を含む案内中心ラグランジアンを用いて、運動論的MHDモデルの再定式化を行った。その結果、案内中心の運動がコリオリ力と遠心力の効果を受けて、MHDモードと粒子運動の共鳴によるエネルギー項が拡張されることを示した。また、平衡の分布関数に回転の効果を入れることでも拡張を行った。これらの効果は、従来の運動論的MHDモデルでは見落とされてきた。この拡張された運動論的MHDモデルをトカマク配位における抵抗性壁モード(RWM: Resistive Wall Mode)解析コードMINERVA/RWMaCに実装し、ベンチマークに成功した。また、当コードをJT-60Uを模擬した平衡に応用し、回転シア効果によって、RWMが粒子運動と共鳴してエネルギーが減衰することが明らかになった。

論文

MHD instability excited by interplay between resistive wall mode and stable MHD modes in rotating tokamak plasmas

相羽 信行; 廣田 真*; 松山 顕之; 白石 淳也; Bierwage, A.

Proceedings of 25th IAEA Fusion Energy Conference (FEC 2014) (CD-ROM), 8 Pages, 2014/10

回転トカマクプラズマ中におけるMHD不安定性の励起メカニズムを数値的に発見した。このメカニズムは抵抗性壁モードと安定なMHDモードとの相互作用である。トカマクプラズマが、負磁気シアアルヴェンモードのような安定な固有モードを持つ場合、この安定なモードのドップラーシフト周波数が0に近づいた際にMHD不安定性が励起される。この不安定化は、固有モードがアルヴェン連続スペクトル中にあっても引き起こされることから、高ベータ定常トカマクプラズマを原型炉などで実現する際には、プラズマの回転周波数帯に安定な固有モードが存在しないように安全係数分布を制御することが重要であることが本研究によって明らかにされた。

論文

Effects of centrifugal modification of magnetohydrodynamic equilibrium on resistive wall mode stability

白石 淳也; 相羽 信行; 宮戸 直亮; 矢木 雅敏

Nuclear Fusion, 54(8), p.083008_1 - 083008_8, 2014/08

 被引用回数:8 パーセンタイル:51.48(Physics, Fluids & Plasmas)

磁気流体力学(MHD: Magnetohydrodynamics)平衡におけるトロイダル回転の遠心力効果を考慮することにより、MHD安定性における回転の効果を自己無撞着に取り入れた。抵抗性壁モード(RWM: Resistive Wall Mode)の安定性に対する回転の効果を解析するため、新しいコードを開発した。真空領域と抵抗性壁における電磁気学的な問題を解くモジュールRWMaCを開発し、回転プラズマにおける線形理想MHDダイナミクスを記述するFrieman-Rotenberg方程式を解くMINERVAコードに組み込んだ。MINERVA/RWMaCにより、トロイダル回転によるMHD平衡の変化が、RWMの成長率を減少させることを初めて示した。加えて、トロイダル回転が線形ダイナミクスにのみ影響を与える場合には安定化窓が存在しない場合でも、平衡の変化により安定化窓が現れることを示した。回転は、平衡の圧力、電流密度、質量密度を変化させ、回転の効果を含むポテンシャルエネルギーを変化させる。

論文

On kinetic resistive wall mode theory with sheared rotation

白石 淳也; 宮戸 直亮; 松永 剛

Plasma and Fusion Research (Internet), 9, p.3403027_1 - 3403027_4, 2014/04

トカマクにおいてトロイダル回転シアが存在する場合の運動論的抵抗性壁モード(RWM: Resistive Wall Mode)の安定性を決定する分散関係を導出した。運動論的RWM理論では、分散関係はエネルギー汎関数により記述され、エネルギー汎関数は案内中心のラグランジアンによって特徴付けられる。しかし、従来の運動論的RWM理論では、回転が小さいとして、回転の効果を含まないラグランジアンを用いてきた。本研究では、回転シアがある場合にはラグランジアンは一般化されることに着目し、一般化されたラグランジアンを用いて、運動論的RWM理論による分散関係の構造について調べた。その結果、エネルギー汎関数は、従来の磁場曲率に起因する項に加えて、案内中心の遠心力加速による項が付け加わることが分かった。大アスペクト比近似のもと数値解析を行ったところ、新しいエネルギー汎関数は虚部を持つため、減衰効果を持つことが分かった。また、回転シアにより、RWMが安定化されることが明らかになった。これは、JT-60Uで観測された実験結果の傾向と一致している。

論文

会議報告; 第16回若手科学者によるプラズマ研究会

本多 充; 白石 淳也; 相羽 信行

プラズマ・核融合学会誌, 89(5), P. 330, 2013/05

2013年3月4日$$sim$$3月6日に第16回「若手科学者によるプラズマ研究会」(日本原子力研究開発機構・核融合研究開発部門・先進プラズマ研究開発ユニット主催)を開催した。本研究会は、将来の核融合研究を担う若手科学者達が分野横断的なネットワークを広げる場を提供するとともに、毎年異なる主題のもと自らの研究について発表し活発な議論を行う伝統が連綿と受け継がれてきている。開催回数も今年で16回を数えている。ここ3回ほどはコアプラズマの物理から離れた主題となっていたため、今回の研究会は「プラズマ輸送・閉じ込め物理の総合的理解向けた予測・検証手法の進展」と題して、近年急速に進展している乱流の計測・解析技法や非局所輸送,モデリング・数値シミュレーションといった、おもにコアにおける輸送・閉じ込め分野を取り上げることとした。

論文

Optimization of JT-60SA plasma operational scenario with capabilities of installed actuators

井手 俊介; 相羽 信行; Bolzonella, T.*; Challis, C. D.*; 藤田 隆明; Giruzzi, G.*; Joffrin, E.*; 濱松 清隆; 林 伸彦; 本多 充; et al.

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

Assessment of capabilities in controlling key plasma parameters to access and sustain a high normalized pressure plasma in JT-60SA has been carried out using predictive simulations with emphasis on controllability with actuators, including not only heating and current drive but also fueling and pumping system. It is confirmed that the safety factor profile, which is believed to play an important role for confinement improvement, can be prepared appropriately at the plasma current ramp-up phase in a wide extent within capability of the installed ECRF system. At the flat-top of a high pressure and high bootstrap current plasma, it is also confirmed that the installed NB system can modify the safety factor profile and the confinement property within the planned capabilities. It is confirmed that impurity seeding in the SOL and the divertor region can maintain the heat flux within the divertor heat tolerance keeping the separatrix density level acceptable.

論文

Stabilization of resistive wall modes by magnetohydrodynamic equilibrium change induced by plasma toroidal rotation

白石 淳也; 相羽 信行; 宮戸 直亮; 矢木 雅敏

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

磁気流体力学(MHD: Magnetohydrodynamics)平衡におけるトロイダル回転の遠心力効果を考慮することにより、MHD安定性における回転の効果を自己無撞着に取り入れた。抵抗性壁モード(RWM: Resistive Wall Mode)の安定性に対する回転の効果を解析するため、新しいコードを開発した。真空領域と抵抗性壁における電磁気学的な問題を解くモジュールRWMaCを開発し、回転プラズマにおける線形理想MHDダイナミクスを記述するFrieman-Rotenberg方程式を解くMINERVAコードに組み込んだ。MINERVA/RWMaCにより、トロイダル回転によるMHD平衡の変化が、RWMの成長率を減少させることを初めて示した。加えて、トロイダル回転が線形ダイナミクスにのみ影響を与える場合には安定化窓が存在しない場合でも、平衡の変化により安定化窓が現れることを示した。回転は、平衡の圧力,電流密度,質量密度を変化させ、回転の効果を含むポテンシャルエネルギーを変化させる。

論文

Impact of plasma rotation on the linear physics of resistive wall modes in tokamaks

相羽 信行; 白石 淳也; 廣田 真

Plasma Physics and Controlled Fusion, 55(7), p.074002_1 - 074002_7, 2013/00

 被引用回数:5 パーセンタイル:71.64(Physics, Fluids & Plasmas)

トロイダル方向の回転だけでなくポロイダル方向の回転も考慮することでドップラーシフトの効果が変化し、これまで理論・数値的に解釈が困難であったエッジローカライズモードの性質がトロイダル回転の向きに依存するという実験観測結果を定性的に再現できることを明らかにした。また、プラズマ回転の影響を考慮することで、負磁気シアプラズマにおいては回転の影響で一度安定化された抵抗性壁モード(RWM)が再不安定化されうることを数値的に明らかにした。なお、このような再不安定化は正磁気シアプラズマでは見られなかった。この再不安定化の原因が安定化されたRWMと安定な理想MHDモードの結合による可能性が高いことを示すとともに、回転していないプラズマでは決して不安定化することのない、壁なしベータ限界よりも低いベータ値のプラズマにおいてもこの再不安定化されたRWMは不安定化しうることを明らかにした。

論文

Plasma domains and development of operation scenarios in JT-60SA

井手 俊介; 林 伸彦; 本多 充; 浦野 創; 鈴木 隆博; 宮田 良明; 相羽 信行; 白石 淳也; 栗田 源一; 藤田 隆明

Plasma and Fusion Research (Internet), 7(Sp.1), p.2403131_1 - 2403131_4, 2012/09

JT-60SAでは、ITER定常運転やDEMO炉で要求される高規格化ベータプラズマの定常維持を主目標の一つとしている。原子力機構では、このような高規格化ベータプラズマの性能の評価を、種々の計算コードを用いて行っている。このようなプラズマの実現性を評価するには、プラズマ電流のフラットトップでの性能評価だけではなく、そのようなプラズマを得るためのパスがあるかどうか確かめることも重要である。このようなプラズマを得るには、プラズマ電流分布が重要であることがわかっている。本講演では、プラズマ電流立ち上げと形成できるプラズマ電流分布の形のバリエーションやその結果得られるプラズマの性能について報告を行う。

論文

Analytic dispersion relation for resistive wall modes in rotating plasmas by generalized matching theory

白石 淳也; 徳田 伸二*

Nuclear Fusion, 51(5), p.053006_1 - 053006_9, 2011/05

 被引用回数:3 パーセンタイル:82.06(Physics, Fluids & Plasmas)

回転プラズマにおける抵抗性壁モード(RWM: Resistive Wall Mode)の解析的な分散関係を導出した。分散関係は、壁の情報(小半径,厚さ,体積抵抗率)、並びに、プラズマ表面及び一般化されたNewcomb方程式の特異点における平衡量が与えられた場合に、RWMの成長率及び実周波数を与える。ここで、「一般化された」Newcomb方程式とは、慣性を無視した線形理想磁気流体力学方程式において平衡の回転を含めた方程式である。分散関係の導出は、著者らによって提案された、有限幅を持つ内部領域を用いた一般化された接続理論に基づく。分散関係の解析の結果、RWMの安定性は、有理面ではなく、一般化されたNewcomb方程式の特異点における回転シアにより強く影響を受けることがわかった。

論文

Analytic theory of a matching problem generalized for stability analysis of resistive wall modes in rotating plasmas

白石 淳也; 徳田 伸二*

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

高性能定常トカマクにおいて、プラズマ回転による抵抗性壁モード(RWM: Resistive Wall Mode)の安定化は、最も重要な物理・工学的課題の一つである。RWMの安定化における回転の効果、特に、回転が本質的となる場所(有理面,共鳴面,プラズマ表面等)を明らかにするために、安定性解析における接続問題を拡張してきた。回転の効果を取り入れると、接続問題で中心的役割を果たすNewcomb方程式(RWMの共鳴が起きない領域を支配する)は一般化される。回転によるDopplerシフトにより、Newcomb方程式の特異点は分離する。回転がない場合にはRWMの共鳴面(内部層と呼ぶ)と特異点は一致する。しかし、回転がある問題では、不安定なRWMは回転周波数をもつため共鳴面が特異点からずれる。回転周波数は問題を解かないとわからないから、共鳴を起こす場所があらかじめわからない。よって、無限に薄い内部層を用いる従来の漸近接続法は適用できない。本研究では、有限な厚みを持つ内部層を持つよう漸近接続法を一般化することにより上記の問題を解決できることを示す。さらに、この一般化された接続問題に対する解析的な理論を構築し、数値計算結果の解釈を行う。

論文

Impact of plasma poloidal rotation on resistive wall mode instability in toroidally rotating plasmas

相羽 信行; 白石 淳也; 徳田 伸二*

Physics of Plasmas, 18(2), p.022503_1 - 022503_5, 2011/02

 被引用回数:9 パーセンタイル:55.94(Physics, Fluids & Plasmas)

トロイダル回転及びポロイダル回転を考慮して、抵抗性壁モードの安定性に対するプラズマ回転の効果を調べた。抵抗性壁モードの安定性にはドップラーシフトをした周波数が重要となるため、ポロイダル回転によるドップラーシフトの変化はこの安定性に大きな影響を与える。ポロイダル回転の周波数が小さい場合には、磁力線方向のプラズマ回転のうちトロイダル成分を実際のトロイダル回転周波数から差し引くことで求まる「修正されたトロイダル回転周波数」を用いることで、ポロイダル回転によるドップラーシフトの変化の影響は取り扱うことができる。このポロイダル回転の影響は、回転の方向に対して依存性を持ち、上記の修正されたトロイダル回転周波数が元のトロイダル回転周波数よりも大きくなる場合には、抵抗性壁モードはより安定化される。この結果は、プラズマがポロイダル回転をしている場合、抵抗性壁モードの安定化に必要な臨界トロイダル回転周波数がその回転の方向によって異なることを示している。

論文

Numerical matching scheme for stability analysis of flowing plasmas

白石 淳也; 徳田 伸二*

IEEE Transactions on Plasma Science, 38(9), p.2169 - 2176, 2010/09

 被引用回数:1 パーセンタイル:95.33(Physics, Fluids & Plasmas)

プラズマ流の安定性解析のための新しい接続法に関して、数値計算法及び数値的な特性について報告する。古典的な漸近接続法と同様、新しい接続法も領域を内部層と外部領域の二つに分ける。接続問題を解くには、共鳴面を含むよう内部層を設定する必要がある。内部層以外の領域は外部領域と呼ばれ、慣性を無視した理想MHD方程式(Newcomb方程式)により支配される。流れがない場合、共鳴は有理面で起きるから、有理面を(無限に薄い)内部層と思えばよい。しかし、流れがある場合、接続法を応用することはできない。というのも、共鳴が起きる場所があらかじめわからないからである(有限な領域のどこかで起きることはわかる)。したがって、従来の接続法を用いることはできない。新しい接続法では有限幅の内部層を用いる。新しい内部層は共鳴面が存在する領域をカバーできるため、接続法が応用できる。新しい接続法では、特異点が内部層に含まれているため外部領域は正則となる。そのため、新しい接続法は数値計算に適している。また、本手法は境界層理論に基づくから数値計算時間を大幅に縮減できる。

論文

A Matching problem revisited for stability analysis of resistive wall modes in flowing plasmas

白石 淳也; 徳田 伸二; 相羽 信行

Physics of Plasmas, 17(1), p.012504_1 - 012504_9, 2010/01

 被引用回数:8 パーセンタイル:64.51(Physics, Fluids & Plasmas)

高性能定常トカマクにおいて、プラズマ流による抵抗性壁モード(Resistive Wall Mode: RWM)の安定化は最も重要な物理・工学的課題の一つである。RWMの安定化における流れの効果、特に、流れが本質的になる場所(有理面,共鳴面,プラズマ表面等々)を明らかにするため、安定性解析における接続問題を再考する。流れの効果を取り入れると、接続理論で中心的な役割を果たすNewcomb方程式(RWMの共鳴が起きない外部領域を支配する)は一般化される。流れによるDopplerシフトにより、Newcomb方程式の特異点が分離する。流れがない場合には、RWMの共鳴面(内部層と呼ぶ)と特異点は一致する。しかし、流れがある問題では、不安定なRWMは実周波数を持つため、共鳴面が特異点からずれる。実周波数は問題を解かないとわからないから、共鳴を起こす場所があらかじめわからない。よって、本研究で指摘するように、無限に薄い内部層を用いる従来の漸近接続法は適用できない。本研究では、有限な厚みを持つ内部層を持つよう漸近接続法を一般化することにより、上記の問題を解決できることを示す。

論文

高ベータの敵; 抵抗性壁モード

武智 学; 松永 剛; 白石 淳也; 徳田 伸二; 飛田 健次

プラズマ・核融合学会誌, 85(4), p.147 - 162, 2009/04

トカマク型核融合炉の定常化にとって高ベータ化は必須である。この高ベータ化には最終的にはMHD不安定性の一種である"抵抗性壁モード"が最終的な障害となる。逆転磁場ピンチに至っては抵抗性壁モードによって寿命が決まってしまう。この十年、閉じ込め改善や加熱装置の進展により高ベータ化の敵、抵抗性壁モードを実際に安定化する研究が始まった。抵抗性壁モードを安定化する手法には"プラズマ回転"と"磁場のフィードバック制御"がある。抵抗性壁モードの物理的な性質やこれらの安定化の物理機構の説明をできるだけ平易に行い、これをもとにこれまでの実験的,理論的研究の進展の説明を行った。さらに問題点や今後の研究の方針について述べた。

論文

Topological transition from accretion to ejection in a disk-jet system; Singular perturbation of the Hall effect in a weakly ionized plasma

白石 淳也; 吉田 善章*; 古川 勝*

Astrophysical Journal, 697(1), p.100 - 105, 2009/03

 被引用回数:5 パーセンタイル:83.15(Astronomy & Astrophysics)

原始星などの中心天体近傍に形成される、ジェット放出を伴う降着円盤は、理想流体モデルの枠組みから見れば特異な構造を持っている。降着流とジェット流は、ケプラー回転している円盤に対する「特異摂動」とみなすことができる。ここで特異摂動とは、何らかの(微分階数に関して)高次な効果をいう。本論文では、原始星円盤の弱電離プラズマ中ではホール効果がそのような構造を形成することを示した。実際、特異摂動によって規定される特徴的なスケールを評価すると、ホール効果が支配的である。

口頭

エネルギー汎関数法による抵抗性壁モード解析

徳田 伸二; 白石 淳也*; Chu, M. S.*

no journal, , 

エネルギー汎関数法による抵抗性壁モード解析について報告する。抵抗性壁はプラズマを囲む薄い軸対称なシェルであるとする。解くべき問題はプラズマ中に発生するMHD揺動とシェルに誘起される渦電流との相互作用に関する連成問題となり、それを記述するラグランジアン(エネルギー汎関数)は、プラズマ表面における変位とシェルにおける磁場の法線成分に関する二次形式で表される。本講演ではNewcomb方程式を解くコードMARG2Dを利用する方法について報告する。

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