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論文

Plan of ITER Remote Experimentation Center

小関 隆久; Clement, L. S.*; 中島 徳嘉*

Fusion Engineering and Design, 89(5), p.529 - 531, 2014/05

 被引用回数:7 パーセンタイル:30.82(Nuclear Science & Technology)

BA活動に基づく、ITERC計画におけるITER遠隔実験センターの計画について報告する。この事業は、ITERへの遠隔実験を実現するため、技術的課題の検討や開発を行いつつ、原子力機構青森研究開発センターにITER遠隔実験センターを構築し、JT-60SAやEUの現存するトカマク装置等を用いて、遠隔実験を実証することにある。この事業では、(1)遠隔地のユーザがオンサイトの実験室と同等の環境で効率的な遠隔実験を行えるシステムの開発、(2)実験計測データ量の巨大化に対応した効率的大量データ転送及び日本におけるITERデータストレージとしてのデータ保存、(3)遠隔地におけるリアルタイムなデータ参照を可能とするシステム及びデータ解析ソフトの開発、(4)プラズマシミュレーションと実験との融合を図り、より効率的な実験のプラズマ性能予測と実験結果の解明、等を活動のスコープとして挙げている。これらの事業計画と現状を報告する。

論文

BA遠隔実験センターとITERにおける遠隔実験

小関 隆久; 米川 出*

プラズマ・核融合学会誌, 89(7), p.487 - 491, 2013/07

日欧共同の幅広いアプローチ(BA)活動の一つの事業としてITER遠隔実験センター事業がある。この事業の目的は、ITERへの遠隔実験を実現するため、技術的課題の検討や開発を行いつつ、原子力機構青森研究開発センターにITER遠隔実験センターを構築し、JT-60SAやEUの現存するトカマク装置等を用いて、遠隔実験を実証することにある。この事業では、(1)遠隔地のユーザがオンサイトの実験室と同等の環境で効率的な遠隔実験を行えるシステムの開発、(2)実験計測データ量の巨大化に対応した効率的大量データ転送及び日本におけるITERデータストレージとしてのデータ保存、(3)遠隔地におけるリアルタイムなデータ参照を可能とするシステム及びデータ解析ソフトの開発、(4)プラズマシミュレーションと実験との融合を図り、より効率的な実験のプラズマ性能予測と実験結果の解明、等を活動のスコープとして挙げている。また、ITERにおける遠隔実験に向けた制御システムCODAC及びデータアクセスについての準備状況を報告する。

論文

Integrated simulation of ELM triggered by a pellet through energy absorption and transport enhancement

林 伸彦; Parail, V.*; Koechl, F.*; 相羽 信行; 滝塚 知典; Wiesen, S.*; Lang, P. T.*; 大山 直幸; 小関 隆久

Nuclear Fusion, 51(10), p.103030_1 - 103030_8, 2011/10

 被引用回数:4 パーセンタイル:73.97(Physics, Fluids & Plasmas)

Two integrated core / scrape-off-layer / divertor transport codes TOPICS-IB and JINTRAC with links to MHD stability codes have been coupled with models of pellet injection to clarify effects of pellet on the behavior of edge localized modes (ELMs). Both codes predicted the following two triggering mechanisms. The energy absorption by the pellet and its further displacement due to the $$E$$$$times$$$$B$$ drift, as well as transport enhancement by the pellet, were found to be able to trigger the ELM. The ablated cloud of pellet absorbs the background plasma energy and causes a radial redistribution of pressure due to the subsequent $$E$$$$times$$$$B$$ drift. Further, the sharp increase in local density and temperature gradients in the vicinity of ablated cloud could cause the transient enhancement of heat and particle transport. Both mechanisms produce a region of increased pressure gradient in the background plasma profile within the pedestal, which triggers the ELM. The mechanisms have the potential to explain a wide range of experimental observations.

論文

Integrated modeling of whole tokamak plasma

林 伸彦; 本多 充; 星野 一生; 濱松 清隆; 清水 勝宏; 滝塚 知典; 小関 隆久; 福山 淳*

Plasma and Fusion Research (Internet), 6(Sp.1), p.2403065_1 - 2403065_8, 2011/08

Development and integration of models for the whole tokamak plasma have progressed on the basis of experimental analyses and first principle simulations. Integrated models of core, edge-pedestal and scrape-off-layer (SOL)-divertor clarified complex and autonomous features of reactor relevant plasmas. The integrated core plasma model including an anomalous transport of alpha particles by Alfv$'e$n eigenmodes is developed in the core transport code TOPICS-IB and indicates the degradation of fusion performance. The integrated rotation model is developed in the advanced transport code TASK/TX and clarifies the mechanism of alpha particle-driven toroidal flow. The transport model of high-Z impurities is developed and predicts large inward pinch in a plasma rotating in the direction counter to the plasma current. TOPICS-IB is extended to include the edge-pedestal model by integrating with the stability code, simple SOL-divertor and pellet models, and clarifies the mechanism of pellet triggered ELM. The integrated SOL-divertor code SONIC is further integrated with TOPICS-IB and enables to study and design operation scenarios compatible with both the high confinement in the core and the low heat load on divertor plates.

論文

Effect of core pressure gradient just inside the top of the pedestal on the energy loss due to the edge localized mode in JT-60U

林 伸彦; 大山 直幸; 滝塚 知典; 相羽 信行; 小関 隆久

Nuclear Fusion, 51(7), p.073015_1 - 073015_7, 2011/07

 被引用回数:4 パーセンタイル:73.97(Physics, Fluids & Plasmas)

The effect of core pressure gradient just inside the top of the pedestal on the energy loss due to type-I edge localized modes (ELMs) has been studied. The analysis of the experimental data from JT-60U shows that the ELM energy loss increases with the pressure gradient inside the pedestal. The dependence of ELM energy loss on the pressure gradient inside the pedestal is similar to that predicted by the integrated code TOPICS-IB. The stability of linear ideal MHD modes is analyzed by using experimental profiles. It is found that the steep core pressure gradient inside the pedestal broadens inward eigenfunction profiles of unstable modes. The TOPICS-IB simulation predicted that this broadening can enhance the ELM energy loss.

論文

Integrated simulation of ELM triggered by pellet through energy absorption and transport enhancement

林 伸彦; Parail, V.*; Koechl, F.*; 相羽 信行; 滝塚 知典; Wiesen, S.*; Lang, P.*; 大山 直幸; 小関 隆久; JET-EFDA Contributors*

Proceedings of 23rd IAEA Fusion Energy Conference (FEC 2010) (CD-ROM), 8 Pages, 2011/03

Two integrated core / scrape-off-layer (SOL) / divertor transport codes TOPICS-IB and JINTRAC with links to MHD stability codes have been coupled with models of pellet injection to clarify effects of pellet on the behavior of edge localized modes (ELMs). The energy absorption by pellet and its further displacement due to E$$times$$B drift as well as transport enhancement by the pellet were found to be able to trigger the ELM. The ablated cloud of pellet absorbs the background plasma energy and causes the radial redistribution of pressure due to the subsequent E$$times$$B drift. On the other hand, the sharp increase in local density and temperature gradients in the vicinity of ablated cloud could cause transient enhancement of heat and particle transport. Both mechanisms produce a region of an increased pressure gradient in the background plasma profile within the pedestal, which triggers the ELM. The mechanisms have the potential to explain a wide range of experimental observations.

論文

Alpha particle-driven toroidal rotation in burning plasmas

本多 充; 滝塚 知典; 飛田 健次; 松永 剛; 福山 淳*; 小関 隆久

Proceedings of 23rd IAEA Fusion Energy Conference (FEC 2010) (CD-ROM), 8 Pages, 2011/03

The mechanism of a torque intrinsically produced by alpha particles and the subsequent possibility to create significant toroidal rotation and shear are investigated. In DEMO plasmas, an orbit-following Monte Carlo code OFMC predicts that the profile of a collisional torque is influenced near the magnetic axis by a reversed magnetic shear configuration, while that of a $$vec{j}timesvec{B}$$ torque is not. It is found that the gradient of the source profile of alpha particles produces the co-directed collisional torque and a counter-directed $$vec{j}timesvec{B}$$ torque, and both torques virtually cancel each other out in the central region of the plasma. A non-negligible torque shear and resulting toroidal rotation in the co-direction are obtained in a weakly reversed-shear configuration, but the estimated rotation velocity is below the threshold to stabilize resistive-wall modes through intrinsic alpha-driven torque alone.

論文

Effect of magnetic island associated with neoclassical tearing modes on plasma rotation in JT-60U

諫山 明彦; 松永 剛; 石井 康友; 坂本 宜照; 森山 伸一; 鎌田 裕; 小関 隆久; JT-60チーム

Plasma and Fusion Research (Internet), 5, p.037_1 - 037_6, 2010/10

本論文では、JT-60Uにおける$$m/n=2/1$$の新古典テアリングモード(NTM)の回転周波数の磁気島幅依存性について記述している($$m$$はポロイダルモード数、$$n$$はトロイダルモード数)。電子サイクロトロン電流駆動の位置を変えることにより磁気島幅を能動的に変化させた結果、磁気島幅の増加とともに回転周波数が減少することがわかった。また、モード周波数が「NTM安定化後のモード周波数」の半分程度になったとき、モード周波数が遷移的に変化し、回転周波数が遷移前の20%程度までに減少することがわかった。また、高いモード周波数から低いモード周波数への遷移時の磁気島幅はその逆の遷移時の磁気島幅より20%程度大きく、ヒステリシスが存在することがわかった。さらに、一連の変化は、プラズマと周辺導体との相互作用を考慮したモデルとよい一致を示すことがわかった。

報告書

核融合原型炉SlimCSの概念設計

飛田 健次; 西尾 敏*; 榎枝 幹男; 中村 博文; 林 巧; 朝倉 伸幸; 宇藤 裕康; 谷川 博康; 西谷 健夫; 礒野 高明; et al.

JAEA-Research 2010-019, 194 Pages, 2010/08

JAEA-Research-2010-019-01.pdf:48.47MB
JAEA-Research-2010-019-02.pdf:19.4MB

発電実証だけでなく、最終的には経済性までを一段階で見通しうる核融合原型炉SlimCSの概念設計の成果を報告する。核融合の開発では、これまで、1990年に提案されたSSTR(Steady State Tokamak Reactor)が標準的な原型炉概念とされてきたが、本研究はSSTRより軽量化を図るため小規模な中心ソレノイドを採用して炉全体の小型化と低アスペクト比化を図り、高ベータ及び高楕円度(グリーンワルド密度限界を高めうる)を持つ炉心プラズマにより高出力密度を目指した。主要パラメータは、プラズマ主半径5.5m,アスペクト比2.6,楕円度2.0,規格化ベータ値4.3,核融合出力2.95GW,平均中性子壁負荷3MW/m$$^{2}$$とした。この炉概念の技術的成立性を、プラズマ物理,炉構造,ブランケット,超伝導コイル,保守及び建屋の観点から検討した。

論文

国際核融合エネルギー研究センター事業

荒木 政則; 林 君夫; 飛田 健次; 西谷 健夫; 谷川 博康; 野澤 貴史; 山西 敏彦; 中道 勝; 星野 毅; 小関 隆久; et al.

プラズマ・核融合学会誌, 86(4), p.231 - 239, 2010/04

ITER計画を支援するとともに、核融合エネルギーの早期実現に向けての活動を行う幅広いアプローチ(BA)活動は、この目的のためにITERの建設期間中にさまざまな研究開発を行う日欧の共同事業である。ここでは、国際核融合エネルギー研究センター事業の活動の概要について説明するとともに、現在の進捗状況及び今後の計画・展望について述べる。

論文

Rotational stabilization of resistive wall mode on JT-60U

松永 剛; 武智 学; 相羽 信行; 栗田 源一; 坂本 宜照; 小出 芳彦; 諫山 明彦; 鈴木 隆博; 藤田 隆明; 大山 直幸; et al.

Plasma and Fusion Research (Internet), 4, p.051_1 - 051_7, 2009/11

将来の核融合炉において、経済性の高い高核融合出力を得るためには高圧力プラズマを定常に維持する必要がある。しかしながらこのようなプラズマでは、抵抗性壁モード(RWM)が発生し到達$$beta$$値を制限すると危惧されている。一方、このモードの安定化にプラズマ回転が重要であることが理論的に予想されている。JT-60ではプラズマ回転を制御することで、RWMの安定化に必要なプラズマ回転の閾値を実験的に明らかにした。この実験により、この閾値が従来の予測値の約15%程度であることがわかり、また閾値の$$beta$$依存性が小さいことから、理想壁$$beta$$限界値まで$$beta$$値を到達可能なことが明らかとなった。本論文では、JT-60において実施されたプラズマ回転によるRWM安定化実験の詳細及び、線形MHD安定性コード(MARG2D)の結果との比較などについて報告する。

論文

Toroidal rotation profiles under the influence of fast-ion losses due to toroidal field ripple

本多 充; 滝塚 知典; 福山 淳*; 吉田 麻衣子; 小関 隆久

Journal of Plasma and Fusion Research SERIES, Vol.8, p.316 - 320, 2009/09

1次元多流体輸送コードTASK/TXを用いて、リップルによる高速イオン損失の影響下におけるトロイダル回転分布の性質について調べた。中性粒子ビーム(NB)が入射されたとき、高速イオンの一部はリップルの影響で損失を起こす。準中性を保つためにバルクプラズマに内向きの径電流が流れ、それがプラズマ電流と逆向きのトルクをプラズマ中に生じさせる。プラズマ外部から操作可能な手法に対するトロイダル回転の感受性を調べるために、このトルクによって駆動されるプラズマ回転のパラメータサーベイを行った。大きめのリップル強度の場合、順方向NBパワーを増すにつれて周辺領域で逆向きのトロイダル回転が形成され、あるパワーで磁気軸における順方向トロイダル回転が最大値に達することがわかった。逆向きの回転を起こすリップルによって生じるトルクは、壁からのガスパフを調整することで緩和できる。また、プラズマ電流の増加によってもリップルが駆動する逆回転を緩和できることがわかった。

論文

Integrated modeling for control of advanced tokamak plasma

小関 隆久; 林 伸彦; 本多 充; 相羽 信行; 濱松 清隆; 清水 勝宏; 川島 寿人; 星野 一生; 滝塚 知典; 徳田 伸二

Journal of Plasma and Fusion Research SERIES, Vol.8, p.1138 - 1142, 2009/09

Integrated modeling on areas of plasma core, edge-pedestal and scrape-off-layer (SOL)-divertor progressed based on the researches in JT-60U experiments. In the core plasma, an anomalous transport model of fast particles due to the Alfv$'e$n eigenmode is proposed, and a new one-dimensional core transport code, which can describe the radial electric field and plasma rotations, self-consistently, is developed. The integrated code TOPICS-IB is improved in the edge pedestal region, and effects of the pressure profile inside the pedestal and the collisionality dependence on the ELM energy loss are clarified. The impurity Monte Carlo code is incorporated to the integrated divertor code SONIC. Simulation of impurity behavior at X-point MARFE successfully produced the complete detached plasma, where a part of sputtered carbon penetrates into the main plasma and contributes to the enhanced radiation near the X-point.

論文

Integrated simulation of ELM energy loss and cycle in improved H-mode plasmas

林 伸彦; 滝塚 知典; 相羽 信行; 大山 直幸; 小関 隆久; Wiesen, S.*; Parail, V.*

Nuclear Fusion, 49(9), p.095015_1 - 095015_8, 2009/09

 被引用回数:13 パーセンタイル:44.53(Physics, Fluids & Plasmas)

Energy loss due to an edge localized mode (ELM) crash and its cycle have been studied by using an integrated core transport code with a stability code for peeling-ballooning modes and a transport model of scrape-off-layer (SOL) and divertor plasmas. The integrated code reproduces a series of ELMs in which the ELM energy loss increases with decreasing collisionality and the ELM frequency increases linearly with the input power, as seen in experiments of type-I ELMs. A transport model with the neoclassical transport in the pedestal connected to the SOL parallel transport reproduces a lowered inter-ELM transport in the case of low collisionality so that the ELM loss power is enhanced as observed in experiments. The inter-ELM energy confinement time evaluated from simulation results agrees with the JT-60U scaling. The steep pressure gradient in the core just beyond the pedestal top, desirable for improved H-mode plasmas with the $$H$$$$_{rm H}$$ factor above unity, is found to enhance the ELM energy loss and reduce the ELM frequency so that the ELM loss power remains constant. The steep pressure gradient in the core beyond the pedestal top broadens eigenfunction profiles of unstable modes and possibly induces subsequent instabilities. In the subsequent instabilities, when a large energy is transported to the vicinity of the separatrix by the instabilities, a subsequent instability arises near the separatrix and makes an additional loss.

論文

Compact DEMO, SlimCS; Design progress and issues

飛田 健次; 西尾 敏; 榎枝 幹男; 川島 寿人; 栗田 源一; 谷川 博康; 中村 博文; 本多 充; 斎藤 愛*; 佐藤 聡; et al.

Nuclear Fusion, 49(7), p.075029_1 - 075029_10, 2009/07

 被引用回数:102 パーセンタイル:1.59(Physics, Fluids & Plasmas)

最近の核融合原型炉SlimCSに関する設計研究では、おもに、ブランケット,ダイバータ,材料,保守を含む炉構造の検討に重点を置いている。この設計研究における炉構造の基本的考え方とそれに関連する課題を報告する。楕円度のついたプラズマの安定化と高ベータ化のため、セクター大の導体シェルを交換ブランケットと固定ブランケット間に設置する構造とした。また、ブランケットには、加圧水冷却,固体増殖材を採用することとした。従来の原型炉設計で検討していた超臨界水冷却を利用するブランケット概念に比べ、トリチウム自給を満足するブランケット概念の選択肢はかなり絞られる。ダイバータ技術やその材料について考慮すると、原型炉のダイバータ板での熱流束上限は8MW/m$$^{2}$$以下とすべきであり、これは原型炉で取り扱うパワー(すなわち、アルファ加熱パワーと電流駆動パワーの和)に対して大きな制約となりうる。

論文

Observation of an energetic-particle-driven instability in the wall-stabilized high-$$beta$$ plasmas in the JT-60U tokamak

松永 剛; 相羽 信行; 篠原 孝司; 坂本 宜照; 諫山 明彦; 武智 学; 鈴木 隆博; 大山 直幸; 朝倉 伸幸; 鎌田 裕; et al.

Physical Review Letters, 103(4), p.045001_1 - 045001_4, 2009/07

 被引用回数:37 パーセンタイル:13.97(Physics, Multidisciplinary)

We have observed bursting modes driven by trapped energetic particles in the high-$$beta$$ plasmas where the resistive wall mode (RWM) is marginally stable by plasma rotation. This mode can directly trigger the RWM despite enough plasma rotation for RWM stabilization. Mode structure is radially extended and mode frequency corresponds to the precession frequency of the trapped particle from the perpendicular neutral beams. We have concluded that the mode is the energetic particle branch as the results of the interaction between the energetic particle and a marginally stable RWM, and then, it is named as "energetic particle driven wall mode (EWM)".

論文

Effects of a sheared toroidal rotation on the stability boundary of the MHD modes in the tokamak edge pedestal

相羽 信行; 徳田 伸二; 古川 勝*; 大山 直幸; 小関 隆久

Nuclear Fusion, 49(6), p.065015_1 - 065015_9, 2009/06

 被引用回数:21 パーセンタイル:28.41(Physics, Fluids & Plasmas)

Type-I周辺局在モード(ELM)の原因である「周辺部ペデスタル領域において不安定化する理想MHDモード」の安定性に対するトロイダル回転の影響について数値解析を行った。この解析を実現するために、回転の影響を考慮した線形理想MHD方程式(Frieman-Rotenberg方程式)を解く数値解析コードMINERVAを開発し、同コードを用いることで「回転シアを持つトロイダル回転は周辺局在理想MHDモードを不安定化する」ことを明らかにした。この不安定化効果に対して平衡の安全係数分布が影響を与えることも示した。この原因として、トロイダル回転の影響が不安定化するMHDモードが短波長であるほど強く表れること、そしてこの不安定モードの波長は安全係数分布に強く依存していることが重要であることを明らかにした。

論文

Neoclassical tearing mode control using electron cyclotron current drive and magnetic island evolution in JT-60U

諫山 明彦; 松永 剛; 小林 貴之; 森山 伸一; 大山 直幸; 坂本 宜照; 鈴木 隆博; 浦野 創; 林 伸彦; 鎌田 裕; et al.

Nuclear Fusion, 49(5), p.055006_1 - 055006_9, 2009/05

 被引用回数:46 パーセンタイル:9.49(Physics, Fluids & Plasmas)

本論文では、JT-60Uにおける電子サイクロトロン電流駆動(ECCD)を用いた新古典テアリングモード(NTM)の安定化に関して述べている。$$m/n=2/1$$のNTMを完全に安定化するために必要な最小の電子サイクロトロン(EC)波パワーを実験的に調べた結果、JT-60Uの実験条件では、NTM発生位置におけるEC駆動電流密度と自発電流密度との比が約0.4-0.5であることがわかった。また、$$m/n=2/1$$のNTMの回転に同期してECCDを変調した結果、変調しない場合に比べ2倍以上安定化効果が大きいことがわかった。また、磁気島のX点に入射した場合はNTMが不安定化されることが実験的に初めて観測された。さらに、変調の位相と安定化効果に関するモデル計算の結果と比較した結果、実験結果とおおむね一致することがわかった。

論文

Self-consistent simulation of torque generation by radial current due to fast particles

本多 充; 滝塚 知典; 福山 淳*; 吉田 麻衣子; 小関 隆久

Nuclear Fusion, 49(3), p.035009_1 - 035009_10, 2009/03

 被引用回数:14 パーセンタイル:42(Physics, Fluids & Plasmas)

1次元多流体輸送コードTASK/TXを用いて、電荷分離によって生じる径方向電流トルクが駆動するトロイダル回転の生成について調べた。ドリフト運動の影響で、典型的には準垂直NBIによって捕捉イオンが生じ続けている限り電荷分離は生じ続ける。TASK/TXと軌道追跡モンテカルロコードOFMCを組合せることで、準垂直NBIによってバルクプラズマ中に生じた径方向電流$$j_mathrm{bulk}$$によってトロイダル回転が駆動されることを再現した。水平ポートから入射したNBが、衝突減衰トルクと$$j_mathrm{bulk}times B$$トルク両方の観点から最も効率よくトロイダル回転を駆動することをシミュレーションで明らかにした。高密度プラズマでは、$$j_mathrm{bulk}times B$$トルクは衝突減衰トルクに取って代わり、回転の主要な駆動力となる。定常状態では、トロイダル回転速度はトルク,粘性,中性粒子との摩擦,荷電交換による運動量損失で決定されることがわかった。

論文

Numerical analysis of the effect of fast-ion losses on plasma rotation in a tokamak with toroidal field ripple

本多 充; 滝塚 知典; 福山 淳*; 吉田 麻衣子; 小関 隆久

Nuclear Fusion, 48(8), p.085003_1 - 085003_12, 2008/08

 被引用回数:11 パーセンタイル:50.59(Physics, Fluids & Plasmas)

トロイダル磁場リップルによって引き起こされる高速イオン損失の運動量輸送に対する影響を数値シミュレーションによって調べた。シミュレーションは、一次元多流体輸送コードTASK/TXに、リップル捕捉粒子と非捕捉粒子を分けて取り扱うなどして輸送コードに適する形に構築したリップル輸送モデルを組合せて行った。シミュレーション結果は、JT-60Uでリップル損失が大きい場合に観測されている周辺部逆回転の実験結果と定性的に一致した。リップル損失によって径方向外向きの高速イオン電流が流れ、それに伴いバルクプラズマに帰還電流が流れ、その結果生成された$$vec{j}timesvec{B}$$トルクがプラズマをプラズマ電流とは逆向きに駆動することが示された。トロイダル回転速度の平衡値は垂直粘性と全体のトルクとのバランスによって決定されていることがわかった。

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