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論文

Frontier in fusion research, 2; Introduction to modern tokamak physics

菊池 満; 安積 正史*

Frontiers in Fusion Research, 2; Introduction to Modern Tokamak Physics, 402 Pages, 2015/09

本書は、レビューオブモダンフィジックスに2012年に刊行した論文を基礎として現代トカマクプラズマ物理学を記述した大学院生及び研究者向けの教科書である。

論文

Steady-state tokamak research; Core physics

菊池 満; 安積 正史*

Reviews of Modern Physics, 84(4), p.1807 - 1854, 2012/12

 被引用回数:33 パーセンタイル:13.86(Physics, Multidisciplinary)

トカマク型核融合方式は、変流器の原理を用いているため、自発電流などを用いた非誘導電流駆動を用いて連続運転を行う研究開発が重要である。著者が1990年に提案した自発電流を用いた定常化研究の20年間の研究の成果を理論的な背景を中心にレビューを記載した論文であり、Reviews of Modern Physicsに投稿するものである。

論文

Collisionality dependence of a shielding factor of a beam driven current

本多 充; 菊池 満; 安積 正史*

Nuclear Fusion, 52(2), p.023021_1 - 023021_12, 2012/02

 被引用回数:16 パーセンタイル:28.38(Physics, Fluids & Plasmas)

The collisionality dependence on a shielding factor of a neutral beam driven current, which is generally neglected for most models currently used, is shown to be important especially for plasma parameters comparable to those of present-day tokamak experiments. Here, the shielding factor is defined as the ratio of the beam driven current to the fast-ion circulating current. An addition of friction coefficients involving beam ions to the matrix inversion method based on the moment approach readily makes it possible to estimate the collisionality-dependent shielding factor. The collisionality-dependent models proposed coincide with the collisionless model in the collisionless limit. They clearly elucidate the strong dependence of the shielding factor on collisionality: Increasing collisionality certainly decreases the shielding factor. This finding indicates that using a collisionless model always overestimates a beam driven current, more or less.

論文

Simulation studies on alpha -particle-driven current in tokamak reactors

谷 啓二; 安積 正史*

Nuclear Fusion, 48(8), p.085001_1 - 085001_9, 2008/08

 被引用回数:13 パーセンタイル:44.71(Physics, Fluids & Plasmas)

軌道追跡モンテカルロコードを用いてトカマク核融合炉におけるアルファ粒子電流駆動が検討された。$$alpha$$粒子の有限バナナ幅効果により粒子捕捉が非対象になり、トランジット粒子の不均衡で電流が駆動される。トランジット粒子の電流(トランジット電流)は、有限バナナ幅効果とソースの非均一分布により増大する。ピッチ角散乱もトランジット電流に重要である。定常核融合炉において、核融合反応アルファ粒子は、ブートストラップ電流を補佐する電流を駆動しうる。

論文

Nonlinear evolution and deformation of driven magnetic islands in rotating plasmas

石井 康友; 安積 正史; Smolyakov, A. I.*

Nuclear Fusion, 47(8), p.1024 - 1032, 2007/08

 被引用回数:7 パーセンタイル:67.72(Physics, Fluids & Plasmas)

本研究では、トカマクプラズマの性能劣化を引き起こす重要な機構の1つである、流れのあるプラズマ中での外部揺動による磁気島の形成機構を調べた。トカマクプラズマでは種々の外部揺動により、本来安定な領域に磁気島が形成される場合がある(外部駆動磁気島)。これまでは、外部駆動磁気島が急激に成長するための外部揺動の臨界値が主な研究対象であった。本研究では、高温プラズマに対応した低衝突領域での外部駆動磁気島の非線形成長を数値シミュレーションで調べることにより、新たな非線形成長領域が存在することを見いだした。この領域では、初期に形成されたX-点が変形し、2次的な磁気再結合が生じる。これまでは、磁気島の内部に働くトルクは一様で、磁気島は剛体として扱われてきた。しかし本研究により、磁気島内部に働くトルクの分布は非一様であり、これまでの予測とは異なる磁気島の変形をもたらすことがわかった。このような磁気島の変形が2次的磁気再結合を引き起こしている。このようなX点近傍での磁場のトポロジー変化は、ブートストラップ電流の分布変化を通じて、新古典ティアリングモードの発生臨界値に影響すると考えられる。

論文

Explosive growth and nonlinear dynamics of the forced magnetic island

石井 康友; 安積 正史; Smolyakov, A. I.*

Proceedings of 21st IAEA Fusion Energy Conference (FEC 2006) (CD-ROM), 8 Pages, 2007/03

本研究では、トカマクプラズマの性能劣化を引き起こす磁気島形成の機構を、プラズマ中の流れを考慮して、数値シミュレーションにより調べた。トカマクプラズマでは磁気島形成を引き起こすティアリング不安定性に対して、独立状態では安定と考えられる磁気面において磁気島が形成される現象が観測されている。このような安定な磁気面での磁気島形成は、外部摂動に起因すると考えられているが、その詳細過程は未解明である。本研究では、広範な抵抗値領域に対して数値シミュレーションを行うことにより、低い抵抗値領域で抵抗効果が顕著になる領域が存在することを明らかにした。これまでの研究では、強制磁気島は内部構造を持たない剛体として取り扱われていた。しかしながら、本研究により、磁気島の内部における非一様なトルク分布が磁気島の変形を引き起こし、初期のX点近傍での2次的な磁気再結合が生じていることが明らかになった。このようなX点近傍での磁場のトポロジー変化は、X点近傍でのブートストラップ電流の変化を通じて、新古典ティアリングモードの発生臨界値に影響すると考えられる。

論文

Magnetic island evolution in rotating plasmas

石井 康友; 安積 正史*; Smolyakov, A. I.*

Journal of Plasma Physics, 72(6), p.1243 - 1248, 2006/12

 被引用回数:1 パーセンタイル:95.68(Physics, Fluids & Plasmas)

本研究では、トカマクプラズマの性能劣化を引き起こす磁気島形成の機構を、プラズマ中の流れを考慮して、数値シミュレーションにより調べた。トカマクプラズマでは磁気島形成を引き起こすティアリング不安定性に対して、独立状態では安定と考えられる磁気面において磁気島が形成される現象が観測されている。このような安定な磁気面での磁気島形成は、外部摂動に起因すると考えられているが、その詳細過程は未解明である。これまでの理論的予測では、プラズマ流が存在すると、磁気島を形成するための外部摂動の臨界値が存在し、その臨界値が抵抗値及び粘性値に依存すると考えられていた。本研究では数値シミュレーションにより、現実のトカマク放電のパラメータ領域近傍では、この臨界値が抵抗値には依存するが、粘性値にはほぼ依存しないことを明らかにした。また、流れのあるプラズマ中でのこのような磁気島の成長には、散逸依存領域と散逸非依存領域が存在することを見いだした。

論文

A Model for striation formation in ac PDP discharges

村岡 克紀*; 安積 正史; 鈴木 敬三*; 山形 幸彦*; 矢木 雅敏*

Journal of Physics D; Applied Physics, 39(10), p.2135 - 2139, 2006/05

 被引用回数:5 パーセンタイル:75.61(Physics, Applied)

プラズマ・ディスプレイ・パネル放電での縞状発光現象をモンテカルロ法によるシミュレーションにより再現し、その物理機構を解明した。シミュレーション結果は電子密度分布とエネルギー分布の逆位相性など実験結果とのよい一致を示している。提案された物理機構のモデルは、縞状発光のピッチからマイクロ放電中での電場を評価できることを示している。

論文

Critical $$beta$$ analyses with ferromagnetic and plasma rotation effects and wall geometry for a high $$beta$$ steady state tokamak

栗田 源一; Bialek, J.*; 津田 孝; 安積 正史*; 石田 真一; Navratil, G. A.*; 櫻井 真治; 玉井 広史; 松川 誠; 小関 隆久; et al.

Nuclear Fusion, 46(2), p.383 - 390, 2006/02

 被引用回数:9 パーセンタイル:62.67(Physics, Fluids & Plasmas)

限界ベータの値は、アスペクト比が3のトカマクでは、$$mu$$/$$mu$$$$_{0}$$$$sim$$2, $$mu$$$$mu$$$$_{0}$$は、各々強磁性体壁と真空の透磁率を表す、の強磁性の効果によって約8%減少することが示された。高アスペクト比のトカマクでは、観測されなかったトロイダル・プラズマ回転とプラズマ散逸の効果によってできる抵抗性壁モードに対する安定窓がアスペクト比が3のトカマクでは存在することが示された。安定窓に対する強磁性の効果もまた調べられた。VALENコードによる有限抵抗の安定化板と真空容器の形状を含めたNCT(国内重点化装置)プラズマの限界ベータ解析が始められ、安定化板の受動的安定化効果に対する結果が得られた。NCTプラズマの現状の設計案に対する真空容器及び能動的フィードバック制御の安定化効果を含んだ計算もまた行われた。

論文

Critical $$beta$$ analyses with ferromagnetic and plasma rotation effects and wall geometry for a high $$beta$$ steady state tokamak

栗田 源一; Bialek, J.*; 津田 孝; 安積 正史; 石田 真一; Navratil, G. A.*; 櫻井 真治; 玉井 広史; 松川 誠; 小関 隆久; et al.

IAEA-CN-116/FT/P7-7 (CD-ROM), 8 Pages, 2004/11

標準的なアスペクト比のトカマクに対して、比透磁率が2程度の強磁性体壁の効果によって限界ベータは約8%減少することが示された。高アスペクト比トカマクでは観測されなかったトロイダルプラズマ回転とプラズマ散逸の両方の効果によって開かれる安定窓の存在がアスペクト比3のトカマクで示された。それらに対する強磁性体壁の効果も調べられた。NCT(国内重点化トカマク)プラズマの有限抵抗を持った安定化板と真空容器の形状の効果を含んだVALENコードによる限界ベータ解析が始まり、安定化板の受動的安定化効果の結果が得られた。また、真空容器の安定化効果と能動的フィードバック制御の効果が、現状の設計のNCTプラズマに対して計算された。

論文

原研におけるスーパーコンピュータ環境を例として

安積 正史

プラズマ・核融合学会誌, 80(5), p.378 - 381, 2004/05

原研における大規模科学シミュレーション環境の進展が概説される。核融合シミュレーション科学の展開が原研におけるスーパーコンピュータ及び計算機ネットワーク能力の増加に重要な役割を果たしてきた。現在、東海研と那珂研においてベクトル,スカラー両者の並列計算機が稼働中であり、核融合シミュレーション計画,NEXT計画、のもとで開発されている流体,粒子コードがそれぞれのシステムで動いている。遠隔利用者による視覚化処理を効率的に行うためのデータ転送法の開発も成功裏に進められている。核融合研究はITERの新しい段階に入ろうとしており、シミュレーションモデルのさらなる進展とともに、計算機システムのより一層の高性能化に対するニーズがこれまで以上に高まってきている。

論文

Nonlinear destabilization and explosive growth of double tearing modes

石井 康友; 安積 正史; 岸本 泰明

Theory of Fusion Plasmas, ISPP21, p.213 - 226, 2004/00

逆転磁気シアプラズマにおける重要な電磁流体不安定性の1つであるダブルティアリングモード(DTM)の非線形不安定化過程と、それによるDTMの爆発的成長に関して報告する。DTMの長時間成長を調べるための高精度数値シミュレーションを行うことにより、新しい非線形不安定化過程とそれに付随する新しい磁気再結合過程が存在することを明らかにした。この現象はトカマクプラズマの高性能化を阻害するディスラプション現象の解明に貢献するとともに、太陽フレア等の天体プラズマにおける未解明の爆発現象の研究に貢献する可能性がある。

論文

Ferromagnetic and resistive wall effects on the beta limit in a Tokamak

栗田 源一; 津田 孝; 安積 正史; 石田 真一; 竹治 智*; 逆井 章; 松川 誠; 小関 隆久; 菊池 満

Nuclear Fusion, 43(9), p.949 - 954, 2003/09

 被引用回数:28 パーセンタイル:29.98(Physics, Fluids & Plasmas)

原型炉の開発における二つの重要な課題は高ベータ化と低放射化材料の開発である。後者の低放射化材料の開発に関しては、現在低放射化フェライト鋼が最有力候補であると考えられているが、強磁性体であるためMHD不安定性による摂動磁場を吸い込むことによってMHD安定性を劣化させ前者のベータ限界を下げる可能性がある。ここでは、フェライト鋼(強磁性体)壁の効果を含んだMHD安定性解析を行うことによって限界ベータに対する強磁性体壁の影響を調べた。

論文

Current point formation and magnetic reconnection process in nonlinearly destabilized double tearing modes

石井 康友; 安積 正史; 岸本 泰明

Physics of Plasmas, 10(9), p.3512 - 3520, 2003/09

 被引用回数:8 パーセンタイル:69.63(Physics, Fluids & Plasmas)

負磁気シアプラズマで重要となるダブルティアリングモード(DTM)の非線形不安定化過程における電流点形成の詳細な過程と、その爆発的成長領域での役割を明らかにした。電流点形成は、これまでに知られている電流シートを伴った磁気再結合過程とは反対に、DTMの成長とともに磁気再結合領域に形成されるプラズマ電流の縦横比(逆アスペクト比)が増大することを初めて明らかにした。異なった抵抗値に対しては、形成される電流点の逆アスペクト比,絶対値が異なる。この性質が、爆発敵領域での非線形成長率の抵抗値非依存性の原因であることを明らかにした。さらに、トロイダル配位でのシミュレーションを行うことにより、乱雑磁場中においても、コヒーレントな電流点構造が形成・維持される可能性を示した。

論文

Effect of a ferromagnetic wall on low $$beta$$ tearing modes in the Japan atomic research institute fusion Torus-2 modified

Bakhtiari, M.; 安積 正史; 都筑 和泰; 神谷 健作; 川島 寿人; 草間 義紀; 佐藤 正泰; 星野 克道; JFT-2Mグループ

Physics of Plasmas, 10(8), p.3212 - 3216, 2003/08

 被引用回数:12 パーセンタイル:57.47(Physics, Fluids & Plasmas)

テアリングモードの安定性に対する強磁性体の効果を研究するため、テアリングモード方程式を用い、フェライト鋼壁を考慮した条件で解析した。その結果、電流分布に依存する表面テアリングモードに対する強磁性体壁の影響は弱いことが明らかになった。

論文

Long timescale plasma dynamics and explosive growth driven by the double tearing mode in reversed shear plasmas

石井 康友; 安積 正史; 岸本 泰明; Leboeuf, J. N.*

Nuclear Fusion, 43(7), p.539 - 546, 2003/07

逆転(負)磁気シアプラズマで重要となるダブルティアリングモード(DTM)に新しい磁気再結合現象を伴う非線形不安定化過程が存在することを明らかにした。この非線形不安定化過程は、抵抗性時間スケールでの長時間成長における、磁気島の三角変形に伴った局所的な電流シート(電流点)形成に起因する。その結果引き起こされるDTMの急激な成長領域では、成長率の抵抗値依存性が非常に弱くなることがわかった。この過程は、JT-60Uの負磁気シアプラズマの低ベータディスラプションで観測されている時間遷移現象と対応する可能性がある。

論文

Long timescale plasma dynamics and explosive growth driven by the double tearing mode in reversed shear plasmas

石井 康友; 安積 正史; 岸本 泰明; Leboeuf, J. N.*

Nuclear Fusion, 43(7), p.539 - 546, 2003/07

 被引用回数:18 パーセンタイル:44.14(Physics, Fluids & Plasmas)

JT-60Uの負磁気シアプラズマの低$$beta$$ディスラプションで観測される時定数遷移現象が、ダブルティアリングモード(DTM)の非線形不安定化現象で説明できる可能性を示した。JT-60U実験データに基づく平衡配位に対して、トロイダル線形抵抗性MHD解析を行うことにより、抵抗性交換型モードが不安定なパラメータ領域においても、DTMが最大不安定モードとなりえることを明らかにした。さらに、円柱プラズマに対する非線形MHDシミュレーションを行うことにより、DTMの非線形不安定化とそれに伴う電流点形成に起因する時定数遷移現象の存在を明らかにした。また、トロイダルプラズマに対する非線形MHDシミュレーションを行うことにより、乱雑磁場中でも電流点が形成されることを示し、トカマクプラズマ中での電流点の実現可能性を示した。

論文

Structure-driven nonlinear instability of double tearing modes and the abrupt growth after long-time-scale evolution

石井 康友; 安積 正史; 岸本 泰明

Physical Review Letters, 89(20), p.205002_1 - 205002_4, 2002/11

 被引用回数:68 パーセンタイル:9.87(Physics, Multidisciplinary)

ヘリカル対称性を仮定した抵抗性簡約化電磁流体(MHD)モデルに基づき、ダブルティアリングモード(DTM)の非線形領域に新たな非線形不安定化過程が存在することを明らかにした。この現象は、弱結合DTMがRutherford型領域において抵抗性時間スケールで緩やかに成長し、内側磁気島が強く三角変形することにより起こる(構造駆動型非線形不安定性)。このとき、三角変形した磁気島の頂点近傍の磁気再結合領域では、狭い空間領域にプラズマ電流が集中し、電流点が形成される。これは、抵抗性MHDモデルの範囲内で電流点構造が形成される可能性を示したはじめての結果である。また、このような非線形不安定化領域では、モード成長率が加速し、かつ抵抗値依存性が非常に弱くなる。このような、抵抗性時間スケールで緩やかに長時間成長した後の急激なモード成長は、実験的に観測されている抵抗性モードに起因するプラズマディスラプションと定性的に一致する。

論文

講座「まずMHDを」第2章「MHDとは」

安積 正史

プラズマ・核融合学会誌, 77(5), p.457 - 463, 2001/05

プラズマ物性及び核融合研究の基礎となる磁気流体(MHD)モデルについて概観し、その有効性について述べる。まずフォッカープランク衝突項をもったブラゾフ方程式からMHD方程式を導出する過程とその物理的背景について述べ、この方程式に基づいてMHD平衡や波動・不安定性などの線型応答の基本的性質について議論する。最後に運動論効果等非MHD効果への拡張の試みについて紹介する。

論文

Nonlinear destabilization of double tearing modes in reverced magnetic shear plasmas

石井 康友; 安積 正史; 岸本 泰明

Journal of Plasma and Fusion Research SERIES, Vol.4, p.271 - 275, 2001/00

これまでの研究で、ダブル・ティアリングモードには非線形不安定化領域が存在することを示したが、その機構は明らかでない。既知のティアリングモードの非線形不安定化機構としては、磁力線の乱雑化による異常抵抗や、有限磁気島幅に対する準線形化効果が知られている。しかし、本研究で得られた非線形不安定化機構はこれらの既知モデルでは説明できない。本研究では非線形不安定化機構に対して、電流の高次モードの存在が重要であることを明らかにした。また高次モードの空間構造を調べ、高次モードがおもに非線形結合によって生じ、かつ高次モードの作る電流が外側共鳴面近傍に局在化しモードを不安定化していることを示した。また、不安定化が共鳴面間距離$$Delta$$rが大きい場合に生じること、及び$$Delta$$rが増大するにつれて必要となるモード数が増大することから、この不安定性は磁気島の空間構造に依存すると考えられる。

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