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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

Dependence of pedestal structure on collisionality at fixed beta in JT-60U

浦野 創; 相羽 信行; 神谷 健作; 鎌田 裕; JT-60チーム

Nuclear Fusion, 56(1), p.016005_1 - 016005_8, 2016/01

 被引用回数:3 パーセンタイル:62.22(Physics, Fluids & Plasmas)

トカマクにおける周辺ペデスタル構造は炉心プラズマ全体の閉じ込めや核融合炉の出力に対する境界条件となるため適切な予測とその制御が求められる。これまでに周辺プラズマにおける無次元量による周辺ペデスタル幅の定量化が行われてきており、周辺ペデスタル幅は規格化ポロイダルベータ値の平方根に比例することが知られている。しかし、この無次元量による評価は衝突周波数やプラズマ形状を固定した実験下で行われているため、特に衝突周波数による効果は未だよく分かっていなかった。そこで本研究ではJT-60Uにおいて衝突周波数スキャン実験を実施し、周辺ペデスタル幅の衝突周波数依存性を調べた。衝突周波数を0.04から0.2まで変化させたところ、周辺部で中間域モード数のピーリング=バルーニングモードが不安定化する一方で、周辺ペデスタル幅に大きな差異が見られなかった。しかし、さらに衝突周波数を0.2以上に上げた実験では、周辺ペデスタル幅の増大が観測されており、これは高モード数域のバルーニングモードが不安定化を伴っており、MHD不安定性の発生領域がペデスタル構造に寄与しているという重要な知見を得た。

論文

Integrated modelling of toroidal rotation with the 3D non-local drift-kinetic code and boundary models for JT-60U analyses and predictive simulations

本多 充; 佐竹 真介*; 鈴木 康浩*; 吉田 麻衣子; 林 伸彦; 神谷 健作; 松山 顕之; 篠原 孝司; 松永 剛; 仲田 資季; et al.

Nuclear Fusion, 55(7), p.073033_1 - 073033_11, 2015/07

 被引用回数:5 パーセンタイル:55.24(Physics, Fluids & Plasmas)

The integrated simulation framework for toroidal momentum transport is developed, which self-consistently calculates the neoclassical toroidal viscosity (NTV), the radial electric field $$E_r$$ and the resultant toroidal rotation $$V_phi$$ together with the scrape-off-layer(SOL)-physics based boundary model. The coupling of three codes, the 1.5D transport code, TOPICS, the 3D equilibrium code, VMEC and the 3D $$delta f$$ drift-kinetic equation solver, FORTEC-3D, makes it possible to calculate the NTV due to the non-axisymmetric perturbed magnetic field caused by toroidal field coils. Analyses reveal that the NTV significantly influences $$V_phi$$ in JT-60U and $$E_r$$ holds the key to determine the NTV profile. The sensitivity of the $$V_phi$$ profile to the boundary rotation necessitates a boundary condition modelling for toroidal momentum. Owing to the high-resolution measurement system in JT-60U, the $$E_r$$ gradient is found to be virtually zero at the separatrix regardless of toroidal rotation velocities. Focusing on $$E_r$$, the boundary model of toroidal momentum is developed in conjunction with the SOL/divertor plasma code D5PM. This modelling realizes self-consistent predictive simulations for operation scenario development in ITER.

論文

On the spatial structure of solitary radial electric field at the plasma edge in toroidal confinement devices

伊藤 公孝*; 伊藤 早苗*; 神谷 健作; 糟谷 直宏*

Plasma Physics and Controlled Fusion, 57(7), p.075008_1 - 075008_7, 2015/07

 被引用回数:14 パーセンタイル:17.25(Physics, Fluids & Plasmas)

分岐理論モデルに基づく孤立径電場構造に関して、トカマク及びヘリカル系プラズマの両者のプラズマ及び幾何学パラメータ依存性を理論的に調べた。その結果、理論的に予想される径電場のオーダーはトカマクのHモードプラズマにおける実験値と良い一致が得られた。一方ヘリカルでは、リップル損失輸送によって径電場のピーク値は低減する一方、その幅は大きく影響を受けないことが分かった。本論文では、Hモードペデスタル部の到達可能な圧力勾配限界値についても論じている。

論文

Dependence of pedestal structure on collisionality in JT-60U

浦野 創; 相羽 信行; 神谷 健作; 鎌田 裕; JT-60チーム

Europhysics Conference Abstracts (Internet), 39E, p.P5.146_1 - P5.146_4, 2015/06

トカマクにおける周辺ペデスタル構造は炉心プラズマ全体の閉じ込めや核融合炉の出力に対する境界条件となるため適切な予測とその制御が求められる。これまでに周辺プラズマにおける無次元量による周辺ペデスタル幅の定量化が行われてきており、周辺ペデスタル幅は規格化ポロイダルベータ値の平方根に比例することが知られている。しかし、この無次元量による評価は衝突周波数やプラズマ形状を固定した実験下で行われているため、特に衝突周波数による効果は未だよく分かっていなかった。そこで本研究ではJT-60Uにおいて衝突周波数スキャン実験を実施し、周辺ペデスタル幅の衝突周波数依存性を調べた。衝突周波数を0.04から0.2まで変化させたところ、peeling-ballooningモードで発生したELM周波数の増大及びELMエネルギーパルスの低下が観測された一方で、周辺ペデスタル幅に大きな差異が見られなかった。しかし、さらに衝突周波数を上げた実験では、周辺ペデスタル幅の増大が観測されており、これはinfinite-n ballooningモードでELMが発生しており、MHD不安定性の発生領域がペデスタル構造に寄与しているという重要な知見を得た。

論文

Design study of a wide-angle infrared thermography and visible observation diagnostic on JT-60SA

神谷 健作; 伊丹 潔; 竹内 正樹; 江野口 章人*

Fusion Engineering and Design, 89(12), p.3089 - 3094, 2014/12

 被引用回数:1 パーセンタイル:85.45(Nuclear Science & Technology)

JT-60SAにおける第一壁およびダイバータを監視するための赤外および可視光同時測定可能型超広角視野エンドスコープの開発について報告する。トーラス内部の広範囲を観測するために光学系の視野角は約80度で数cm程度の空間分解能が得られる設計とした。先端部光学系にピンホール、球面および平面ミラーを組み合わせることでブラインドスポットの無い光学設計解が得られ、集光された像は平行光束としてクライオスタット外へ約4m伝送する。赤外光はカセグレン光学系で集光し赤外カメラで検出し、またミラーで一部分岐された可視光はリレー光学系で伝送し可視カメラで検出する。光学設計ソフトを用いた光線追跡の結果、ピンホールから約7.6mの位置における空間分解能は、赤外および可視光学系ともに1-2cm程度であることを確認した。本光学系における主要収差の原因についても議論する。

論文

Boundary condition for toroidal plasma flow imposed at the separatrix in high confinement JT-60U plasmas with edge localized modes and the physics process in pedestal structure formation

神谷 健作; 本多 充; 浦野 創; 吉田 麻衣子; 鎌田 裕; 伊藤 公孝*; JT-60チーム

Physics of Plasmas, 21(12), p.122517_1 - 122517_8, 2014/12

 被引用回数:11 パーセンタイル:34.79(Physics, Fluids & Plasmas)

JT-60Uトカマク装置において、セパラトリックスを含むプラズマ周辺部における完全電離炭素イオンプラズマのトロイダル流をモジュレーション荷電交換分光(MCXRS)計測器を用いて高精度かつ高空間及び高時間分解能で評価した。ELMy Hモードプラズマのセパラトリックス位置におけるトロイダル回転速度は零では無く外部運動量入射方向依存性が存在するが(co-NBIで-8km/s、ctr-NBIで-19km/s)、ELMによっては大きく影響は受けないことが明らかになった。また観測された有限値の境界トロイダル回転速度はセパラトリックス近傍における高速イオンのリップル損失に起因すると考えられる負の径電場と相関があり、そのシア構造は数100kV/m$$^{2}$$以下の非常に弱い正のシア構造をもつことが分かった。トロイダル回転及び径電場のペデスタル構造構造形成過程の理解の進展についても議論する。

論文

Integrated modeling of toroidal rotation with the 3D non-local drift-kinetic code and boundary models for JT-60U analyses and predictive simulations

本多 充; 佐竹 真介*; 鈴木 康浩*; 吉田 麻衣子; 林 伸彦; 神谷 健作; 松山 顕之; 篠原 孝司; 松永 剛; 仲田 資季; et al.

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

The integrated framework for toroidal momentum transport is developed, which self-consistently calculates the neoclassical toroidal viscosity (NTV), the radial electric field $$E_r$$ and resultant toroidal rotation together with the scrape-off-layer (SOL) physics-based boundary model. The coupling of three codes, TOPICS, VMEC and FORTEC-3D, can calculate rotation caused by the NTV due to the non-axisymmetric perturbed magnetic field caused by toroidal field coils. It is found that the NTV influences toroidal rotation in JT-60U and $$E_r$$ holds the key to determine the NTV profile. The sensitivity of the toroidal rotation profile to the boundary rotation necessitates the boundary condition modeling. From the measurement in JT-60U, the $$E_r$$ gradient is found to be insensitive at the separatrix. Focusing on $$E_r$$, the boundary model of toroidal momentum is developed in conjunction with the SOL/divertor plasma code. This modeling realizes self-consistent predictive simulations for operation scenario development in ITER.

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

ITPA(国際トカマク物理活動)会合報告,42

吉田 麻衣子; 篠原 孝司; 林 伸彦; 諫山 明彦; 神谷 健作

プラズマ・核融合学会誌, 89(12), p.887 - 889, 2013/12

2013年の秋季に、国際トカマク物理活動(ITPA)に関する5グループ(高エネルギー粒子物理、輸送と閉じ込め物理、統合運転シナリオ、ペデスタル物理、MHD安定性のトピカルグループ)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会合は、中国の北京市で開催され、参加者は約30名、発表件数は28件であった。輸送と閉じ込め物理トピカルグループ、統合運転シナリオトピカルグループ、ペデスタル物理トピカルグループは、福岡県の春日市で開催され、パラレル合同セッションが半日設けられた。輸送と閉じ込め物理トピカルグループ会合の参加者数は36名、発表件数はパラレル合同セッションも含めて43件であった。ペデスタル物理トピカルグループ会合の参加者は35名、統合運転シナリオトピカルグループ会合の参加者数は30名であった。MHD安定性トピカルグループ会合は、中国の合肥市で開催され、参加者は51名であった。ぞれぞれのグループにおいて、ITERでの課題解決に向けた研究報告や議論がなされた。次回の会合は2014年の春季に開催予定である。

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

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

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

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

Observation of energetic particle driven axisymmetric mode in the JT-60U tokamak

松永 剛; 神谷 健作; 篠原 孝司; 宮戸 直亮; 小島 有志; Bierwage, A.; JT-60チーム

Europhysics Conference Abstracts (Internet), 36F, p.P2.062_1 - P2.062_4, 2012/00

In the JT-60U experimental operations with high normalized beta $$beta_mathrm{N}$$ or high bootstrap fraction $$f_mathrm{BS}$$, magnetic fluctuations with multiple peaks in the geodesic acoustic mode (GAM) frequency range are observed. These peaks appear just after tangential NB injection with 90 keV beam energy in L-mode phase to form weak/strong reversed magnetic shear plasmas. Observed magnetic fluctuations have $$n$$ = 0 axisymmetric toroidal mode structures and $$m$$ = 2 poloidal ones, where $$n$$ and $$m$$ are the toroidal and poloidal mode number, respectively. Interestingly, the poloidal mode structure sometimes behaves like standing wave. Usually, the standing wave nodes are located around the inboard and outboard midplanes, and the top and bottom of plasmas. Namely, these modes have $$m$$ = 2 components in both ion and electron diamagnetic directions. We will report the detail of the observed $$n$$ = 0 axisymmetric modes in the JT-60U tokamak.

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