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論文

Multi-phase simulation of fast ion profile flattening due to Alfv$'e$n eigenmodes in a DIII-D experiment

藤堂 泰*; Van Zeeland, M. A.*; Bierwage, A.; Heidbrink, W. W.*

Nuclear Fusion, 54(10), p.104012_1 - 104012_13, 2014/10

 被引用回数:31 パーセンタイル:9.33(Physics, Fluids & Plasmas)

The hybrid code MEGA, which simulates the interaction between fast ions and an MHD fluid, is extended with realistic beam deposition profile and collisions. It is used for multi-phase simulations, where classical simulations (fast ion source + collisions) and hybrid simulations (source + collisions + MHD) are run alternatingly. In a multi-phase simulation of DIII-D discharge 142111, it is found that the stored beam ion energy is saturated due to toroidal Alfv$'e$n eigenmodes (TAE) at a level lower than in the purely classical simulation. This is consistent with the experimental observation. After the stored fast ion energy is saturated, it is demonstrated by hybrid simulations that the fast ion spatial profile is significantly flattened due to the interaction with the multiple TAEs with amplitude $$v$$/$$v$$$$_{rm A}$$ and $$delta$$$$B$$/$$B$$ of order 10e-4. The temperature fluctuations caused by TAEs are of the order of 1% of the equilibrium temperature. This is also comparable with ECE measurements in the experiment.

論文

Dynamics of energetic particle driven modes and MHD modes in wall-stabilized high-$$beta$$ plasmas on JT-60U and DIII-D

松永 剛; 岡林 典男*; 相羽 信行; Boedo, J. A.*; Ferron, J. R.*; Hanson, J. M.*; Hao, G. Z.*; Heidbrink, W. W.*; Holcomb, C. T.*; In, Y.*; et al.

Nuclear Fusion, 53(12), p.123022_1 - 123022_13, 2013/12

 被引用回数:2 パーセンタイル:88.45(Physics, Fluids & Plasmas)

In the wall-stabilized high-$$beta$$ plasmas in JT-60U and DIII-D, interactions between energetic particle (EP) driven modes (EPdMs) and edge localized modes (ELMs) have been observed. The interaction between the EPdM and ELM are reproducibly observed. Many EP diagnostics indicate that strong correlation between the distorted waveform of the EPdM and the EP transport to edge. The waveform distortion is composed of higher harmonics $$(n ge 2)$$ and it looks like a density snake near the plasma edge. According to statistical analyses, the ELM triggering by the EPdMs needs finite level of waveform distortion and pedestal recovery. The ELM pacing by the EPdMs occurs when the repetition frequency of the EPdMs is higher than the natural ELM frequency. Transported EPs by the EPdMs are thought to contribute to change the edge stability.

論文

Energetic ion transport by microturbulence is insignificant in tokamaks

Pace, D. C.*; Austin, M. E.*; Bass, E. M.*; Budny, R.*; Heidbrink, W. W.*; Hillesheim, J. C.*; Holcomb, C. T.*; Gorelenkova, M.*; Grierson, B. A.*; McCune, D. C.*; et al.

Physics of Plasmas, 20(5), p.056108_1 - 056108_18, 2013/05

 被引用回数:28 パーセンタイル:13.33(Physics, Fluids & Plasmas)

DIII-Dトカマクにおいて微視的乱流による高速イオンの輸送を中性粒子ビーム(NB)入射により調べた。背景の微視的乱流を特徴づけるパラメータ(Eb/Te値、Ebは入射エネルギー、Teは電子温度)を変化させるために、中心部または周辺部入射を行った。いずれの場合も、微視的乱流による輸送の増加は小さく実験的には観測できなかった。微視的乱流による高速イオンの拡散を数値的・解析的に評価し、高速イオンの輸送の効果をモデル化した。その結果、コヒーレントなモードによる高速イオンの輸送とNB電流駆動の低下の方が乱流輸送によるものより大きく、ITERにとってより重要であることがわかった。

論文

Dynamics of energetic particle driven modes and MHD modes in wall-stabilized high beta plasmas on JT-60U and DIII-D

松永 剛; 岡林 典男*; 相羽 信行; Boedo, J. A.*; Ferron, J. R.*; Hanson, J. M.*; Hao, G. Z.*; Heidbrink, W. W.*; Holcomb, C. T.*; In, Y.*; et al.

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

In the wall-stabilized high-$$beta$$ plasmas in JT-60U and DIII-D, interactions between energetic particle (EP) driven modes and MHD modes such as edge localized modes (ELMs) have been observed. The ELM triggering by EP driven modes (EPdMs) occurs when the repetition frequency of the EPdMs is higher than that of the ELM. The EPdMs have strong waveform distortion that is composed of higher toroidal harmonics. In particular, EP behavior seems to be sensitive to the waveform distortion, thus, waveform distortion can rapidly increase EP transport to edge. According to statistical analysis, the ELM triggering by the EPdMs infrequently occurs just after the ELM crash. Transported EPs by the EPdMs are thought to contribute to change the edge stability.

論文

ITER test blanket module error field simulation experiments at DIII-D

Schaffer, M. J.*; Snipes, J. A.*; Gohil, P.*; de Vries, P.*; Evans, T. E.*; Fenstermacher, M. E.*; Gao, X.*; Garofalo, A. M.*; Gates, D. A.*; Greenfield, C. M.*; et al.

Nuclear Fusion, 51(10), p.103028_1 - 103028_11, 2011/10

 被引用回数:32 パーセンタイル:15.37(Physics, Fluids & Plasmas)

ITERのテストブランケットモジュールが作ると思われる誤差磁場の影響を調べる実験をDIII-Dにおいて実施した。プラズマ回転とモードロッキング,閉じ込め,LH遷移,ELM安定化,ELMとHモードペデスタル特性,高エネルギー粒子損失等を調べた。実験では、ITERの1つの赤道面ポートを模擬する3つ組のコイルを1セット使用した。その結果、ITERのTBMが作る誤差磁場のためにITERの運転が妨げられるような結果は得られなかった。一番大きな変化はプラズマ回転を減速させるものであり、非共鳴ブレーキング効果によってプラズマ全体の回転が50%程度減少した。密度や閉じ込めへの影響は、回転の影響の1/3程度である。これらの影響は、プラズマ圧力の高いプラズマや回転の低いプラズマで顕著である。それ以外の影響は軽微であった。

論文

Experimental investigation and validation of neutral beam current drive for ITER through ITPA joint experiments

鈴木 隆博; Akers, R.*; Gates, D. A.*; G$"u$nter, S.*; Heidbrink, W. W.*; Hobirk, J.*; Luce, T. C.*; 村上 和功*; Park, J. M.*; Turnyanskiy, M.*; et al.

Nuclear Fusion, 51(8), p.083020_1 - 083020_8, 2011/08

 被引用回数:15 パーセンタイル:38.19(Physics, Fluids & Plasmas)

国際トカマク物理活動(ITPA)の下で、世界の主要な4つのトカマク装置(AUG(独国), DIII-D(米国), JT-60U(日本)、及びMAST(英国))において周辺部中性粒子ビーム(NB)駆動電流分布を測定し理論を検証するための国際装置間比較実験を実施した。さまざまな装置での実験を行い、プラズマ電流0.6-1.2MA,トロイダル磁場0.3-3.7T, NBの加速エネルギー67-350keVと広いダイナミックレンジの実験条件に渡ってNB駆動電流分布(あるいは全電流分布のNBCDによる変化)を測定し、NB駆動電流とその空間分布の測定結果は、比較的小さい高速イオンの拡散係数(0-0.5m$$^2$$/s)を仮定した理論計算で説明できることがわかった。また、AUG及びDIII-Dの結果によると、低い加熱パワーのときにはNB駆動電流分布は高速イオンの拡散係数として0m$$^2$$/sを仮定した理論計算で説明できる一方で、高い加熱パワー(AUGでは5MW、DIII-Dでは7.2MW)の時には0.3-0.5m$$^2$$/s程度の拡散係数を仮定した理論計算が最もよく実験と合致するとの結果を得た。背景プラズマ乱流による高速イオンの散乱とそれによる再分配と考えられる。測定したNB駆動電流と$$D$$$$_{rm b}$$=0を仮定した計算との比について、高速イオンの静電的乱流輸送の指標である$$E$$$$_{rm b}$$/$$T$$$$_{rm e}$$及び電磁的乱流輸送の指標であるトロイダル$$beta$$値への依存性を調べ、ITERの周辺部NB電流駆動について議論する。

論文

Experimental investigation and validation of neutral beam current drive for ITER through ITPA joint experiments

鈴木 隆博; Akers, R.*; Gates, D. A.*; G$"u$nter, S.*; Heidbrink, W. W.*; Hobirk, J.*; Luce, T. C.*; 村上 和功*; Park, J. M.*; Turnyanskiy, M.*; et al.

Proceedings of 23rd IAEA Fusion Energy Conference (FEC 2010) (CD-ROM), 8 Pages, 2010/10

国際トカマク物理活動(ITPA)の下で、世界の主要な4つのトカマク装置(AUG(独国),DIII-D(米国),JT-60U(日本)、及びMAST(英国))において周辺部中性粒子ビーム(NB)駆動電流分布を測定し理論を検証するための国際装置間比較実験を実施した。さまざまな装置での実験を行い、プラズマ電流0.6-1.2MA,トロイダル磁場0.3-3.7T,NBの加速エネルギー67-350keVと広いダイナミックレンジの実験条件に渡ってNB駆動電流分布(あるいは全電流分布のNBCDによる変化)を測定し、NB駆動電流とその空間分布の測定結果は、比較的小さい高速イオンの拡散係数(0-0.5m$$^2$$/s)を仮定した理論計算で説明できることがわかった。また、AUG及びDIII-Dの結果によると、低い加熱パワーの時にはNB駆動電流分布は高速イオンの拡散係数として0m$$^2$$/sを仮定した理論計算で説明できる一方で、高い加熱パワー(AUGでは5MW、DIII-Dでは7.2MW)の時には0.3-0.5m$$^2$$/s程度の拡散係数を仮定した理論計算がもっとも良く実験と合致するとの結果を得た。背景プラズマ乱流による高速イオンの散乱とそれによる再分配と考えられる。これらの結果をまとめ、ITERの周辺部NB電流駆動について議論する。

論文

Validation of on- and off-axis neutral beam current drive against experiment in DIII-D

Park, J. M.*; 村上 和功*; Petty, C. C.*; Heidbrink, W. W.*; Osborne, T. H.*; Holcomb, C. T.*; Van Zeeland, M. A.*; Prater, R.*; Luce, T. C.*; Wade, M. R.*; et al.

Physics of Plasmas, 16(9), p.092508_1 - 092508_10, 2009/09

 被引用回数:17 パーセンタイル:39.06(Physics, Fluids & Plasmas)

DIII-Dにおいてプラズマを垂直方向に変位させることで、プラズマ周辺部(off-axis)での中性粒子ビーム電流駆動(NBCD)を実証した。モーショナルシュタルク効果計測により測定した磁力線ピッチ角の時間変化からポロイダル磁束の時間変化を評価し、小半径の半分程度にピークを持ち空間的に広がったoff-axis NBCD分布を示す結果を得た。多くの場合、測定したoff-axis NBCD分布は有限軌道効果を考慮した軌道追跡モンテカルロコードによる高速イオンの減速計算によるものと一致する。中性化した高速イオンが発するD$$alpha$$光の2次元イメージング計測によるとビームイオン密度分布は凹状になっており古典的な減速の描像と一致する。NB駆動電流の大きさはビームと磁力線のなす角と関係しており、両者のなす角が小さくなるように選ぶことでoff-axis NBCDの効率は中心部(on-axis)NBCDと同程度によくすることができる。測定したoff-axis NBCDは入射パワーとともに増加するが、高パワーにおいて測定と計算が合うためには計算に適度な高速イオン拡散を入れる必要がある。

論文

Off-axis neutral beam current drive for advanced scenario development in DIII-D

村上 和功*; Park, J. M.*; Petty, C. C.*; Luce, T. C.*; Heidbrink, W. W.*; Osborne, T. H.*; Prater, R.*; Wade, M. R.*; Anderson, P. M.*; Austin, M. E.*; et al.

Nuclear Fusion, 49(6), p.065031_1 - 065031_8, 2009/06

 被引用回数:38 パーセンタイル:15.21(Physics, Fluids & Plasmas)

DIII-Dでは、小半径の50%という周辺部で電流駆動できるようにするために、2つの中性粒子ビーム(NB)の垂直方向角度を可変とする改造を計画している。計算によると、NBを下側に向けた場合には、プラズマ電流とトロイダル磁場が同方向の場合に電流駆動効率が大きくなる。この効果は大きく、ITERでの計算では現状のトロイダル磁場の方向を反転させると周辺部NB駆動電流は20%以上増加する。この計算結果を検証するためにDIII-Dでプラズマを上下方向に寄せることでNBに対する磁力線の角度を変化させ、そのときの周辺部NB駆動電流を調べた。MSE計測によるとNB駆動電流は計算通り40$$sim$$45%変化した。この結果から、DIII-DのNBに垂直方向角度を可変とする改造を行うことで、ITERや将来のトカマクのためのシナリオ開発を強力に推進できるだけでなく、輸送・高エネルギー粒子・加熱電流駆動の物理を自在に調べられるようになることが期待される。

論文

Progress in the ITER physics basis, 5; Physics of energetic ions

Fasoli, A.*; Gormezano, C.*; Berk, H. L.*; Breizman, B.*; Briguglio, S.*; Darrow, D. S.*; Gorelenkov, N.*; Heidbrink, W. W.*; Jaun, A.*; Konovalov, S. V.*; et al.

Nuclear Fusion, 47(6), p.S264 - S284, 2007/06

 被引用回数:336 パーセンタイル:17.54(Physics, Fluids & Plasmas)

ITERや将来の核融合炉では高速イオンのアルファ粒子がプラズマの維持に重要な役割を果たし、高速イオンが関連した物理現象の理解は重要である。本論文では、1999年の最初の「ITER物理基盤の進展」に関するレポート以降の高速イオンが絡む高温プラズマの物理現象についての理解の進展についてまとめた。高速イオンの物理機構を理解するための高速イオン源の進展,トロイダル磁場リップルによる高速イオン閉じ込めの理解の進展,高速イオンと背景プラズマ起因MHDの相互作用の理解の進展,高速イオン起因MHDの線形安定性の理解の進展,高速イオンと高速イオン起因MHDの相互作用と非線形発展の理解の進展,高速イオン起因MHDによる高速イオンの輸送の理解の進展について、実験計測,理論,数値計算で得られた成果をまとめている。

論文

Performance of the solid state neutral particle analyzer array on the national spherical torus experiment

Liu, D.*; Heidbrink, W. W.*; Darrow, D. S.*; Roquemore, A. L.*; Medley, S. S.*; 篠原 孝司

Review of Scientific Instruments, 77(10), p.10F113_1 - 10F113_4, 2006/10

 被引用回数:17 パーセンタイル:33.91(Instruments & Instrumentation)

プリンストンプラズマ物理学研究所のNSTXの半導体検出器中性粒子アナライザアレイ(SSNPA)は正接半径がそれぞれ60, 90, 100, 120cmの4視線からなる。それぞれの視線はシリコンフォトダイオードを使用しており、荷電交換高速中性粒子のエネルギー分布を観測するべく、その信号は高速にサンプリングされている。電磁遮蔽,高速サンプリング,ソフトウェアベースの波高弁別解析によりSSNPAの性能は大幅に改善し、エネルギー分解能は約10keV、時間分解能は2msに達した。これによりMHDによる高速イオンの振る舞いの計測が可能になった。

論文

Energetic Particles in Magnetic Confinement Systems

二宮 博正; 飛田 健次; Schneider, U.*; Martin, G.*; Heidbrink, W. W.*; Kolesnichenko, Ya. I.*

Nuclear Fusion, 40(7), p.1287 - 1291, 2000/07

 被引用回数:4 パーセンタイル:22.5(Physics, Fluids & Plasmas)

原研那珂研究所で開催された第6回IAEA「磁気閉じ込め系における高エネルギー粒子」に関する技術会合の報告書である。トカマクにおける高エネルギーイオンの理論・実験研究が中心であったこれまでのトピックスに加え、逃走電子及びトカマク以外の磁気閉じ込め方式における高エネルギー粒子研究を加えたことが今日の会合の特徴である。本会合には60人を超える参加者があり、27件の口頭発表と19件のポスター発表が行われた。これまでトカマク中心に進められていたこの領域の研究がヘリカル装置、球状トカマク等へも拡大し、閉じ込め方式によって特徴は異なるものの基本的には同じ現象が起こることを確認できた。

口頭

Discussion on experimental investigation and validation of neutral beam current drive for ITER through ITPA joint experiments

鈴木 隆博; Akers, R.*; Gates, D. A.*; G$"u$nter, S.*; Heidbrink, W. W.*; Hobirk, J.*; Luce, T. C.*; 村上 和功*; Park, J. M.*; Turnyanskiy, M.*; et al.

no journal, , 

国際トカマク物理活動(ITPA)の下で、世界の主要な5つのトカマク装置(AUG(独国), DIII-D(米国), JT-60U(日本), MAST(英国)及びNSTX(米国))においてNBCD駆動電流分布を測定し理論を検証するための国際装置間比較実験を実施した。その実験で得られた成果について議論を行う。さまざまな装置での実験を行い、プラズマ電流0.6-1.2MA,トロイダル磁場0.3$$sim$$3.7T, NBの加速エネルギー67$$sim$$350keVと広いダイナミックレンジの実験条件にわたってNB駆動電流分布(あるいは全電流分布のNBCDによる変化)を測定し、NB駆動電流とその空間分布の測定結果は、比較的小さい高速イオンの拡散係数(0$$sim$$0.5m$$^2$$/s)を仮定した理論計算で説明できることがわかった。また、AUG及びDIII-Dの結果によると、低い加熱パワーのときにはNB駆動電流分布は高速イオンの拡散係数として0m$$^2$$/sを仮定した理論計算で説明できる一方で、高い加熱パワー(AUGでは5MW、DIII-Dでは7.2MW)のときには0.3$$sim$$0.5m$$^2$$/s程度の拡散係数を仮定した理論計算が最もよく実験と合致するとの結果を得た。背景プラズマ乱流による高速イオンの散乱とそれによる再分配と考えられる。

口頭

Results of ITER test blanket module mock-up experiments on DIII-D

Snipes, J. A.*; Schaffer, M. J.*; Gohil, P.*; de Vries, P.*; Fenstermacher, M. E.*; Evans, T. E.*; Gao, X. M.*; Garofalo, A.*; Gates, D. A.*; Greenfield, C. M.*; et al.

no journal, , 

磁性体で作られているITERのテストブランケットモジュール(TBM)が作る誤差磁場がプラズマ運転と性能へ与える影響を調べる実験をDIII-Dで実施した。ポロイダル磁場とトロイダル磁場を作る一組のコイルをプラズマ近傍の水平ポートに設置した。TBMコイルは、トロイダル磁場リップルとの総和で5.7%という局所磁場リップルを作り出すことが可能で、この値は1.3トンのITER用TBMが作る局所磁場リップルの4倍に相当する。実験では、トロイダル回転の減少はリップルに敏感であるが、閉じ込め性能への影響では、3%以上の局所磁場リップルで15-18%の減少、1.7%以下では影響はほとんど見られないことがわかった。

口頭

$$beta$$トカマクプラズマにおけるMHDモードの振舞い

松永 剛; 岡林 典男*; 相羽 信行; Boedo, J. A.*; Ferron, J. R.*; Hanson, J. M.*; Hao, G. Z.*; Heidbrink, W. W.*; Holcomb, C. T.*; In, Y.*; et al.

no journal, , 

$$beta$$運転では高い核融合出力密度を得ることができるため、コンパクトな原型炉が実現可能である。このような核燃焼・高$$beta$$領域では、MHD安定性が臨界安定に近く、かつ高エネルギーイオンが多数存在するためこれらの相互作用が予想される。JT-60U及びDIII-Dの壁なし$$beta$$限界を超える高$$beta$$プラズマにおいて、高エネルギーイオン駆動不安定性が発生し、抵抗性壁モードや周辺局在化モードを誘発する現象を観測した。これらの誘発現象には、高エネルギーイオン駆動不安定性によって増加した高エネルギーイオンの周辺への輸送がこれらの相互作用と関係していると考えられる。本講演ではJT-60UとDIII-Dでの実験結果について詳細に紹介する。

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