Magnetohydrodynamic instability excited by interplay between a resistive wall mode and stable ideal magnetohydrodynamic modes in rotating tokamak plasmas

相羽 信行; 廣田 真*

Physics of Plasmas, 22(8), p.082512_1 - 082512_9, 2015/08

https://doi.org/10.1063/1.4928892

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。また、この物理メカニズムを分散関係式を用いて解析することで、回転によって不安定モードが抵抗性壁モードから安定なMHDモードに切り替わることを陽に示すことに成功した。

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。

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

https://doi.org/10.1088/0741-3335/55/7/074002

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。

Mechanisms of plasma rotation effects on the stability of type-I edge-localized mode in tokamaks

相羽 信行; 古川 勝*; 廣田 真; 大山 直幸; 小島 有志; 徳田 伸二*; 矢木 雅敏

Nuclear Fusion, 51(7), p.073012_1 - 073012_9, 2011/07

https://doi.org/10.1088/0029-5515/51/7/073012

type-I ELMの原因である周辺MHD安定性に対するプラズマ回転が与える影響の物理機構について、新たな定義のポテンシャルエネルギーを導入することで議論した。それにより、トロイダル方向の差動回転により周辺MHDモードが不安定化する原因は、不安定モードの振動数とプラズマの回転周波数との間のずれであることを明らかにした。また、この不安定化効果は不安定モードが比較的短波長である場合により有効であることも新たに示した。この理解をもとに、新たにポロイダル方向の回転を考慮した解析を行い、その結果、プラズマがトロイダル・ポロイダルのどちらにも回転している場合、回転が安定性に与える影響が回転の向きによって変化することを示した。この傾向は、JT-60Uで実験的に確認されている"プラズマのトロイダル回転方向に対するELMの性質の依存性"を説明しうるものである。

Variational formulation for weakly nonlinear perturbations of ideal magnetohydrodynamics

廣田 真

Journal of Plasma Physics, 77(5), p.589 - 615, 2011/01

https://doi.org/10.1017/S0022377810000760

理想磁気流体力学(MHD)の弱非線形現象を支配する新たな運動方程式を、よく知られた線形の運動方程式の自然な拡張として導いた。この導出はMHDに対するラグランジアンを、プラズマの変位に関して三次オーダーまで摂動展開することによって可能となるが、それにはLie級数展開の応用が必要となる。得られた運動方程式は二次の非線形項を含み、これがモード間の結合を引き起こす。その際、三次オーダーのポテンシャルエネルギーはモード間の結合の強さ(結合係数)を評価するための指標となる。従来の理論と比べると、結合係数は線形理論で馴染みの深い変位ベクトル場を用いて表現され、固定境界と自由境界の場合を両方扱うことができる。

Wave-action conservation law for eigenmodes and continuum modes

廣田 真; 徳田 伸二*

Physics of Plasmas, 17(8), p.082109_1 - 082109_11, 2010/08

https://doi.org/10.1063/1.3475793

準定常な平衡状態における固有モードや連続モードに対し、波の作用の不変性を一般的な枠組みにおいて詳しく調べた。この枠組みは理想磁気流体力学系やVlasov-Maxwell系を含んでいる。変分原理に対する平均化法を駆使することにより、それぞれのモードに相当する波の作用は、その振動数(スペクトル)が他のものと十分に孤立していれば保存することを示した。一方で、振動数が近いモード間では波の作用の保存的な交換が起こりうる。この一般的な保存則の応用例として、固有モードと連続モードの共鳴が引き起こすランダウ減衰(又は成長)を考察した。減衰率(又は成長率)は連続スペクトルの線幅(=位相混合の速さ)と密接に関係しており、これは波の作用の保存則を課すことによって見積もることができる。これにより、分散関係式の解析接続を用いる従来の手法とは別の観点から減衰/成長率を評価できる。

Destabilization mechanism of edge localized MHD mode by a toroidal rotation in tokamaks

相羽 信行; 古川 勝*; 廣田 真; 徳田 伸二

Nuclear Fusion, 50(4), p.045002_1 - 045002_13, 2010/04

https://doi.org/10.1088/0029-5515/50/4/045002

トカマクプラズマにおけるプラズマのトロイダル回転を考慮した線形理想MHD安定性を行い、大振幅エッジローカライズモードの原因である周辺局在MHDモードは回転シアを持つトロイダル回転によって不安定化することを明らかにした。また、この不安定化の原因を明らかにするための数値解析を行うことにより、回転による不安定化は電流駆動型不安定性ではなく圧力駆動型不安定性の励起によること、さらに不安定化の原因がプラズマの回転周波数と不安定モードの振動数のずれに起因することを明らかにした。また、この不安定化機構は不安定モードが短波長であるほど強い影響を持つが、一方で短波長モードは回転シアによって局所的なドップラーシフトにより安定化することも知られており、周辺局在MHDモードで重要となる中間波長MHDモードの安定性は双方のかねあいで決まっていることを示した。

Energetics of resistive wall modes in flowing plasmas

廣田 真

Plasma Science and Technology, 11(4), p.409 - 412, 2009/08

https://doi.org/10.1088/1009-0630/11/4/08

任意の磁気流体波に対し、連続モードとの共鳴、及び導体壁の微小な電気抵抗が影響した場合の安定性を、波のエネルギー(より正確には波の作用)の観点から議論する。プラズマが流れを持っていると、負の摂動エネルギーを持つ波が存在し得る。これは抵抗壁におけるエネルギー散逸によって不安定化し、その成長率は散逸の時定数によって決まる。共鳴の効果はアルフベン波や遅い磁気音波の連続モードに対する波のエネルギーを知ることで議論できる。一般に、同符号のエネルギーを持つ連続モードとの共鳴は(位相混合による)減衰をもたらし、異符号同士の共鳴では不安定性が引き起こされる。

重水均質系の臨界実験と解析; 20%濃縮ウラン重水反射体

弘田 実彌; 黒井 英雄; 後藤 頼男; 古橋 晃; 安野 武彦; 山本 研; 三谷 浩; 大部 誠; 一守 俊寛; 小山 謹二; et al.

JAERI 1034, 50 Pages, 1962/08

JAERI-1034.pdf:3.64MB

水性均質臨界実験装置が建設され、20%濃縮ウランの硫酸ウラニル重水溶液に、重水反射体を付した系について一連の臨界実験が行われた。溶液中の重水分子とU原子の比は炉心の直径に依存し、3600から800の範囲にあった。これらの系において熱中性子スペクトルの空間依存性が、Luを使用して積分法により研究された。熱外中性子スペクトルの1/分布からのずれもまた、In, Au, Pd, Coを使用してカドミ比法により研究された。これらの系の理論的解析においては、速中性子の炉心からのもれ、及びもれと炉心での共鳴吸収との競争が重要な因子である。このため共鳴を逃れる確率が厳密に定義され、多群模型が使用され、群常数はGREULING GOERTZEL近似で計算されたスペクトルから決定された。理論的結果と実験的結果の間の一致は、摂動項を除外すれば満足なものである。すなわち、実効増倍率間の矛盾は1%以下であり、熱中性子束,In共鳴中性子束並びに速中性子束も理論的によく再現されている。炉心におけるカドミ比に関する一致は、炉心からの速中性子のもれが適切に取り扱われていることを示している。

Adiabatic invariance for continuum modes in fluids and plasmas

廣田 真; 徳田 伸二

no journal, , 

安定性や波と平均場の相互作用,弱乱流などの理論において、波の作用の保存則は基本的な概念である。本研究では、この分野でよく用いられる短波長近似を使わずに、任意の固有モードや連続モードに対する波の作用を求める手法を導いた。波の作用が保存することは断熱不変性として議論することができる。具体的に、この保存則は固有モードと連続モードが共鳴相互作用した場合の安定性判別において重要となる。