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論文

Inter-code comparison benchmark between DINA and TSC for ITER disruption modelling

宮本 斉児*; 諫山 明彦; Bandyopadhyay, I.*; Jardin, S. C.*; Khayrutdinov, R. R.*; Lukash, V.*; 草間 義紀; 杉原 正芳*

Nuclear Fusion, 54(8), p.083002_1 - 083002_19, 2014/08

 被引用回数:26 パーセンタイル:83.69(Physics, Fluids & Plasmas)

DINAとTSCはトカマク平衡に関する2次元コードであり、ITERのディスラプションのモデリングにも用いられている。今回、そのモデリングの妥当性を検証するために、ベンチマークシナリオを用いたコード間の比較を行った。DINAとTSCで用いられているシミュレーションモデルは、抵抗性拡散の時間スケールで等価であるはずであるが、コード間の違いをベンチマークで考慮することが困難であったため、これまで、互いに同じ結果が得られるかどうかは確かめられていなかった。本論文では、コード間の違いを考慮して比較を行えば、高い精度でシミュレーション結果が一致することを示した。このことは、DINAやTSCによる計算結果が正しいことの裏付けになるが、ハロー電流および第一壁中の電流経路が関わってくるときには、単純に結論することはできない。DINAでは磁気面平均された電流拡散方程式が解かれているため、近似的にしか壁の中を流れる電流を扱うことができない。一方、TSCはそのような制限なしにより現実的にハロー電流を取り扱うことができる。TSCコードとの比較により、DINAのハロー電流モデルを検証した。また、各コードの特性を明らかにし、ITERでのディスラプション予測に及ぼす影響を議論した。

論文

Progress in the ITER physics basis, 3; MHD stability, operational limits and disruptions

Hender, T. C.*; Wesley, J. C.*; Bialek, J.*; Bondeson, A.*; Boozer, A. H.*; Buttery, R. J.*; Garofalo, A.*; Goodman, T. P.*; Granetz, R. S.*; Gribov, Y.*; et al.

Nuclear Fusion, 47(6), p.S128 - S202, 2007/06

 被引用回数:759 パーセンタイル:98.25(Physics, Fluids & Plasmas)

本論文は、1999年の"ITER Physics Basis"の刊行以降に世界各国の装置で得られた重要な成果について記述したものであり、本章ではMHD安定性及びディスラプションに関する成果が記述されている。MHD安定性に関しては、(1)鋸歯状振動,(2)新古典テアリングモード,(3)抵抗性壁モード,(4)誤差磁場,(5)先進シナリオにおけるMHD安定性に関する成果が記述されていて、ディスラプションに関しては、(1)ディスラプションの特徴・原因・頻度,(2)サーマルクエンチによるエネルギーの損失と堆積,(3)電流クエンチのダイナミクス,(4)ディスラプションにより発生する逃走電子,(5)統合モデルとシミュレーション,(6)ディスラプションの回避・予測・緩和に関する成果が記述されている。

論文

Intermittent $$beta$$ collapse after NBCD turn-off in JT-60U fully non-inductive reversed shear discharges

武井 奈帆子; 中村 幸治; 牛込 雅裕*; 鈴木 隆博; 相羽 信行; 武智 学; 飛田 健次; 高瀬 雄一*; 福山 淳*; Jardin, S. C.*

Plasma Physics and Controlled Fusion, 49(3), p.335 - 345, 2007/03

 被引用回数:7 パーセンタイル:27.89(Physics, Fluids & Plasmas)

NB電流駆動を停止すると間欠的に圧力崩壊を繰り返すJT-60U非誘導・負磁気シア放電について、プラズマの電流拡散と輸送改善を含む磁気流体シミュレーションによってその発生機構を調べた。電流駆動停止の後誘起された「リターン電流」が輸送障壁部に拡散し極小安全係数を低下させる結果、輸送障壁部に局在化したn=1kink-ballooningモードが不安定化し、これによって放電そのものは生き残る小規模なベータ崩壊が発生する。その後、自発電流が増大するにつれて強い輸送障壁構造が回復し、またベータ崩壊が発生する繰り返し現象が起きることを明らかにした。

論文

A Simulation study on inductive ITB control in reversed shear tokamak discharges

中村 幸治; 飛田 健次; 福山 淳*; 武井 奈帆子; 高瀬 雄一*; 小関 隆久; Jardin, S. C.*

Nuclear Fusion, 46(8), p.S645 - S651, 2006/08

 被引用回数:3 パーセンタイル:11.73(Physics, Fluids & Plasmas)

プラズマ輸送改善と整合したシミュレーションを行い、非誘導電流駆動トカマクにおいて、プラズマ外部から誘導電流を揺動的に印加すると内部輸送障壁の位置と強さの双方を制御できることを示した。内部輸送障壁位置の制御性は、揺動を受ける前の非誘導電流の駆動分布に応じて異なり、LHCDのように広がりを持ち磁気軸から外れた非誘導電流駆動の場合は動き易く、広がりの狭い局所的なECCDの場合は動かないことを明らかにした。また、この磁気シア分布の外部制御によって、高自発電流プラズマでは常に劣化する傾向にある内部輸送障壁の強度を容易に回復・維持できることを示した。

論文

Summary of the International Energy Agency Workshop on Burning Plasma Physics and Simulation

Donn$'e$, A. J. H.*; Fasoli, A.*; Ferron, J.*; Goncalves, B.*; Jardin, S. C.*; 三浦 幸俊; Noterdaeme, J.-M.*; 小関 隆久

Fusion Science and Technology, 49(1), p.79 - 85, 2006/01

2005年7月4-5日にスペイン・タラゴーナにおいて、IEA大型トカマク協定のもとで開催された「燃焼プラズマの物理とシミュレーション」のワークショップの概要を報告する。ワークショップは、プラズマ輸送と閉込め,MHD安定性,高速粒子閉込め,燃焼プラズマの統合化モデル,計測と制御の各領域における燃焼プラズマ研究について議論が行われた。33件の最新の研究の発表があり、各々の領域での発表を踏まえた活発な議論が行われた。議論においては、各領域における、現在までの研究のレビュー,必要となる研究課題の抽出,課題克服のための方策・ロードマップについてまとめた。

論文

Numerical simulation on current spike behaviour of JT-60U disruptive plasmas

武井 奈帆子; 中村 幸治; 筒井 広明*; 芳野 隆治; 河野 康則; 小関 隆久; 飛田 健次; 飯尾 俊二*; 嶋田 隆一*; Jardin, S. C.*

Plasma Physics and Controlled Fusion, 46(12), p.1815 - 1830, 2004/12

 被引用回数:1 パーセンタイル:3.1(Physics, Fluids & Plasmas)

ディスラプション直前の熱消滅の際、正磁気シアプラズマではプラズマ電流分布の急激な平坦化により電流の正スパイク現象が発生する。一方、もともとの内部インダクタンスが小さい負磁気シアプラズマでは、電流分布の平坦化により内部インダクダンスが増加し、負のスパイクが発生するとされている。また、熱消滅時の急激な圧力低下によるプラズマの内向き移動によっても常に正スパイク現象が発生するとされているが、JT-60Uではこれらの解釈に反するさまざまなスパイク現象が観測されるなど、熱消滅時のプラズマ電流挙動は未だ統一的に理解されていない。本研究では、正及び負磁気シアプラズマで観測されている電流スパイク現象の発生機構を調べるため、プラズマと真空容器との電磁相互作用を含めた磁気流体シミュレーションを行った。その結果、熱消滅時の急激な圧力低下に伴うプラズマの内向き移動により真空容器表面に渦電流が誘起され、これによりプラズマ電流重心の大半径位置が小さい場合は電流が増加し、電流重心の大半径位置が大きい場合には反対に減少し得ることを初めて指摘した。また、負磁気シアプラズマにおいても、電流分布の平坦化によりさらに内部インダクタンスが下がり正スパイク現象が発生し得ることを示し、電流スパイク現象の機構について統一的な解釈を与えた。

論文

TSC simulation of ITB crash and following disruption dynamics on JT-60U high-$$beta$$ reversed shear plasmas

武井 奈帆子; 中村 幸治; 河野 康則; 筒井 広明*; 小関 隆久; 飛田 健次; 杉原 正芳; 飯尾 俊二*; 嶋田 隆一*; Jardin, S. C.*

Europhysics Conference Abstracts, 28G, 4 Pages, 2004/00

核融合炉の成立性にとって重要な課題の1つである、炉心級高ベータプラズマのディスラプション緩和の観点から、内部輸送障壁(ITB)を持つ高ベータ負磁気シアプラズマにおけるディスラプション挙動の解明が必要である。本研究では、ITBにより閉じ込め改善された領域が突如として消失するプラズマ崩壊現象を明らかにするために、JT-60Uの高ベータ負磁気シア及び正磁気シアプラズマについて、ITBで大幅に閉じ込め改善された領域がディスラプションによって崩壊する過程を、自発電流と整合する内部輸送障壁を模擬した物理モデルを組み込んだシミュレーションにより模擬した。その結果、ITBの崩壊直後には、ITBのあった領域の自発電流が急減し、それに伴い誘導電場が急増するが、誘導電流及びq分布にはほとんど変化が見られないことがわかった。このように、計測技術上困難なため全く不明であった崩壊プラズマ内部の電流密度や電場分布の物理諸量について、詳細な変動分布構造を初めて明らかにした。また、JT-60Uの高性能負磁気シア放電のディスラプションにおいて観測されている、速い電流消滅現象の背景機構について議論した。

論文

Axisymmetric MHD simulation of ITB crash and following disruption dynamics of tokamak plasmas with high bootstrap current

武井 奈帆子; 中村 幸治; 河野 康則; 筒井 広明*; 小関 隆久; 飛田 健次; 杉原 正芳; 飯尾 俊二*; 嶋田 隆一*; Jardin, S. C.*

Journal of Plasma and Fusion Research SERIES, Vol.6, p.554 - 557, 2004/00

核融合炉の成立性にとって重要な課題の1つである、炉心級高ベータプラズマのディスラプション緩和の観点から、内部輸送障壁(ITB)を持つ高ベータ負磁気シアプラズマにおけるディスラプション挙動の解明が必要である。本研究では、高ベータ負磁気シアプラズマについて、ITBで大幅に閉じ込め改善された領域がディスラプションによって崩壊する過程をTSCシミュレーションにより模擬した。その結果、ITBの崩壊直後には、ITBのあった領域の自発電流が急減し、それに伴い誘導電場が急増するが、誘導電流及びq分布にはほとんど変化が見られないことがわかった。このような、ITB崩壊による自発電流の消滅,誘導電場の成長及び拡散機構,それに伴う誘導電流分布の変化など、プラズマ内部の分布構造の詳細を明らかにした。また、JT-60Uの高性能負磁気シア放電のディスラプションにおいて観測されている、速い電流消滅現象の背景機構について議論した。

論文

Current profile behavior during ramping-up phase in high bootstrap current tokamak plasmas

中村 幸治; 筒井 広明*; 武井 奈帆子*; 白井 浩; 杉原 正芳; Gribov, Y.*; 小関 隆久; 飛田 健次; 飯尾 俊二*; Jardin, S. C.*

Journal of Plasma and Fusion Research SERIES, Vol.6, p.196 - 198, 2004/00

超電導・先進トカマク炉に必要な遅い電流立上げシナリオを軸対称MHDシミュレーションによって調べた。正磁気シアから負磁気シア配位へと単調に遷移させる制御にもかかわらず、外部から駆動する非誘導電流と内部輸送障壁(ITB)で生じた自発電流との競合的リンクによって正磁気シアと負磁気シア分布の間を繰り返す自己組織的な回帰現象が起きることを示した。また、その物理機構とこれが起きる運転条件を明らかにした。さらに、回帰現象に伴う誘導電場や超電導コイルに生じるAC損失について、その影響を炉工学的観点から論じた。同時に、負磁気シア・プラズマに強い加熱を加えた際の電流ホール形成の可能性を調べ、炉の運転条件についての考察を行った。

論文

TSC modelling of current ramp scenarios with ITB-Generated bootstrap currents in JT-60U reversed shear discharges

中村 幸治; 筒井 広明*; 武井 奈帆子*; 坂本 宜照; 藤田 隆明; 杉原 正芳; 小関 隆久; 飛田 健次; 小西 哲之; 飯尾 俊二*; et al.

Europhysics Conference Abstracts, 27A, 4 Pages, 2003/00

先進運転シナリオの有力なトカマク配位である負磁気シア・プラズマの放電立上げと長時間維持のための制御モデルを構築する観点から、TSCコードに内部輸送障壁(ITB)で発生する自発電流モデルを組み込み、そのシミュレーション機能を拡張した。ITBの強さと幅はプラズマ圧力分布の関数形をあらかじめ指定し、ITB脚の位置を、常にモニターした磁気シア反転の規格化半径($$rho$$$$_{qmin}$$)に応じて連動させた。まず、高い割合の自発電流で駆動されたJT-60U負磁気シア・プラズマについて、その典型的な電流立上げ実験の様子をほぼ完全な実配位のシミュレーションによって再現し、ITBと自発電流の数値モデルの妥当性を検証した。高ベータ化を図るうえで、ITB規格化半径を可能な限り拡大($$rho$$$$_{qmin}$$$$>$$0.5)させることが求められるが、負磁気シア・プラズマでは、誘導電流がプラズマ中心部へ浸透したり非誘導的な自発電流や外部駆動電流の分布に応じて電流分布が大きく変化する。このため、ITBの領域拡大に関する外部制御の方法を調べた。また、将来の核融合炉では超電導コイルの交流損失を低減する技術的な制約があるため、現在JT-60Uで行われている$$sim$$0.6MA/s程度の電流立上げ速度をできる限り遅くしつつ($$sim$$0.2MA/s),低$$rho$$領域に導くMHD的にも安定なプラズマ立上げシナリオを探った。さらに、シミュレーションによる電流や電場の詳細分布を示し、ITBの構造や磁気シア反転位置などの条件によってはプラズマ電流立上げの際、電流ホールが形成されることを示した。

論文

Axisymmetric disruption dynamics including current profile changes in the ASDEX-Upgrade tokamak

中村 幸治; Pautasso, G.*; Gruber, O.*; Jardin, S. C.*

Plasma Physics and Controlled Fusion, 44(8), p.1471 - 1481, 2002/08

 被引用回数:10 パーセンタイル:34.93(Physics, Fluids & Plasmas)

軸対称MHDシミュレーションによって、ディスラプションの際発生する垂直移動現象(VDE)を支配している新しい機構を明らかにした。単一ダイバータ・プラズマで急激なプラズマ電流分布の平坦化が起きると、プラズマはダイバータ側に向かって大きく引き寄せられ、その際のダイバータ配位に応じて上下偏ったVDEが発生しやすくなる。リミター配位のプラズマは本来ダイバータを持たないため、この引き寄せ効果が存在せず、VDEは常に上下方向等しい確率で発生する。この新しい効果は、 ASDEX-Upgradeの実験でも確認することができ、これとこれまでの研究で明らかにしてきた「中立平衡点」による効果によって、ディスラプション挙動の全体像を初めて明らかにした。

論文

JT-60U、Alcator C-Mod及びASDEX-Upgradeトカマクにおける中立平衡点の評価

中村 幸治; 芳野 隆治; Granetz, R. S.*; Pautasso, G.*; Gruber, O.*; Jardin, S. C.*

プラズマ・核融合学会誌, 78(4), p.347 - 355, 2002/04

トカマク・ディスラプションの際発生する垂直移動現象(VDE)を回避するうえで有利な「中立平衡点」を、国際共同研究によって、JT-60U,Alcator C-Mod及びASDEX-Upgrade トカマクで調べた。米国のAlcator C-Modトカマクでは、キラー粒子を入射することで強制的にディスラプションを発生させ、VDEの様子を調べた。その結果、計算機シミュレーションの結果通り、赤道面から数cm上に「中立平衡点」が存在することを確認した。一方、ドイツASDEX-Upgradeトカマクのディスラプション・データベースを解析し、トカマク装置によってVDEに個性があり明確な「中立平衡点」が存在しないことがわかった。その原因を計算機シミュレーションで調べた結果、ディスラプションの最中生じているプラズマ電流分布の変化が垂直移動現象に強く影響していることを明らかにした。

口頭

Non-inductive operation scenario of plasma current ramp-down in CS-less, advanced tokamak reactor

中村 幸治; 飛田 健次; 武井 奈帆子; 高瀬 雄一*; 福山 淳*; 西尾 敏; 佐藤 正泰; Jardin, S. C.*

no journal, , 

VECTORなどの中心ソレノイドが無い低アスペクト比コンパクト炉は、プラズマ電流分布を制御・維持する非誘導的な電流駆動技術を必要とする。このため、輸送改善モデルを組み込んだ磁気流体TSCコードを用いて、現実的な加熱パワーと許容し得るGreenwald密度やベータ限界の諸条件を満たしながら、中心ソレノイド(CS)を用いないで電流を立ち上げる自己無撞着な数値シミュレーションを行った。このプラズマ電流立ち上げ研究に対して、本論文では、中心ソレノイド無し先進炉に欠くことができないもう一つの安定運転シナリオ、すなわち、ディスラプションの無い、非誘導的なプラズマ電流立ち下げ技術の可能性を論じる。10MA完全非誘導の定常高ベータ,負磁気シア・プラズマに与えていた75MWのNB加熱と3.5MAの外部駆動電流を瞬時に取り除く操作によって、電流立ち下げ過程をモデル化した。これらNB加熱と外部駆動電流を取り除くことによって、内部輸送障壁近傍に局在する自発電流や誘導的な「リターン電流」の分布構造が変動する様子をPFコイル系の過渡応答を含めて総合的に調べた。また、ディスラプション回避の制御性、負から正への磁気シア遷移の安定性、さらに、非接触ダイバータ配位を立ち下げ全域に渡り長時間維持する制御方法を議論した。また、プラズマ位置や形状を制御する際発生する微弱の誘導電流を評価し、これが立ち下げ運転に与える効果を明らかにした。地震等による緊急停止要請に対する即応性の観点から、超伝導コイル制御の技術的な制限条件を考慮しながら許容し得る電流立ち下げ速度を評価した。

口頭

誘導電流摂動による定常・非誘導電流トカマクの内部輸送障壁制御

中村 幸治; 飛田 健次; 福山 淳*; 武井 奈帆子; 高瀬 雄一*; 小関 隆久; Jardin, S. C.*

no journal, , 

プラズマ輸送改善と整合したシミュレーションを行い、非誘導電流駆動トカマクにおいて、プラズマ外部から誘導電流を摂動的に印加すると内部輸送障壁の位置と強さの双方を制御できることを示した。内部輸送障壁位置の制御性は、非摂動時の非誘導電流分布に応じて異なり、LHCDのように広がりを持ち磁気軸から外れた非誘導電流駆動の場合は動きやすく、広がりのない局所的なECCDの場合は動かないことを明らかにした。また、この磁気シア分布の外部制御によって、高自発電流プラズマでは常に劣化する傾向にある内部輸送障壁の強度を容易に回復・維持できることを示した。

口頭

A Simulation study on burning profile tailoring of steady state, high bootstrap current tokamaks

中村 幸治; 武井 奈帆子; 飛田 健次; 坂本 宜照; 藤田 隆明; 福山 淳*; Jardin, S. C.*

no journal, , 

熱出力3-5GW級の定常DEMO炉では、核燃焼制御の観点から次の二つの重要課題が未解決である。一つは、これまで「熱不安定性」と呼ばれてきた「燃焼不安定性」を回避しながらその高パワー燃焼状態をいかに安定に維持できるかであり、もう一つは、定常運転に必要な自発電流を作る内部輸送障壁と関連する燃焼構造をいかに制御できるかである。輸送改善モデルを含む自己無撞着なシミュレーションによって、高出力DEMO炉では核燃焼度と非誘導の自発電流駆動源とが相互に干渉し得ることがわかった。その結果、1GW以下の低出力模擬燃焼状態とは大きく異なり、3-5GW燃焼では自己点火核燃焼が強く自己組織化され、そのため、燃料供給を除いては有効な燃焼制御手段が存在しない程プラズマ制御が困難になることを示した。

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