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論文

Development of advanced inductive scenarios for ITER

Luce, T. C.*; Challis, C. D.*; 井手 俊介; Joffrin, E.*; 鎌田 裕; Politzer, P. A.*; Schweinzer, J.*; Sips, A. C. C.*; Stober, J.*; Giruzzi, G.*; et al.

Nuclear Fusion, 54(1), p.013015_1 - 013015_15, 2013/12

 被引用回数:20 パーセンタイル:19.24(Physics, Fluids & Plasmas)

The ITPA IOS group has coordinated experimental and modeling activity on the development of advanced inductive scenarios for applications in the ITER tokamak. This report documents the present status of the physics basis and the prospects for applications in ITER. The key findings are: (1) inductive scenarios capable of higher $$beta_{rm N} ge 2.4$$ than the ITER baseline scenario ($$beta_{rm N} = 1.8$$) with normalized confinement at or above the standard H-mode scaling have been established under stationary conditions on the four largest diverted tokamaks (AUG, DIII-D, JET, JT-60U) in a broad range in $$q_{rm 95}$$ and density; (2) MHD modes can play a key role in reaching stationary high performance, but also define the stability and confinement limits; (3) the experiments have yielded clearer measurements of the normalized gyroradius scalin; and (4) coordinated modeling activity supports the present research by clarifying the most significant uncertainties in the projections to ITER.

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

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

Experimental tests of paleoclassical transport

Callen, J. D.*; Anderson, J. K.*; Arlen, T. C.*; Bateman, G.*; Budny, R. V.*; 藤田 隆明; Greenfield, C. M.*; Greenwald, M.*; Groebner, R. J.*; Hill, D. N.*; et al.

Nuclear Fusion, 47(11), p.1449 - 1457, 2007/11

 被引用回数:6 パーセンタイル:74.78(Physics, Fluids & Plasmas)

最近開発されたパレオクラシカル輸送モデルが多数のトロイダルプラズマ装置のデータと比較された。DIII-D, Alcator C-MOD, NSTXのオーム加熱レベルのプラズマ,RTPの電子サイクロトロン波加熱プラズマ,JT-60Uの強い電子内部輸送障壁プラズマ,MST逆磁場ピンチ,SSPXスフェロマックの実験データを用いた。モデルから予想される径方向の電子熱輸送は、オーム加熱レベルの幅広い実験結果と一致し、2倍程度の誤差で電子熱輸送の下限を与えると思われる。

論文

Stabilization and prevention of the 2/1 neoclassical tearing mode for improved performance in DIII-D

Prater, R.*; La Haye, R. J.*; Luce, T. C.*; Petty, C. C.*; Strait, E. J.*; Ferron, J. R.*; Humphreys, D. A.*; 諌山 明彦; Lohr, J.*; 長崎 百伸*; et al.

Nuclear Fusion, 47(5), p.371 - 377, 2007/05

 被引用回数:53 パーセンタイル:11.53(Physics, Fluids & Plasmas)

DIII-Dの高ベータ放電においては$$m=2$$/$$n=1$$の新古典テアリングモード(NTM)が発生し、閉じ込め性能を大幅に劣化させ、また高頻度でディスラプションを引き起こす($$m$$, $$n$$はそれぞれポロイダルモード数及びトロイダルモード数)。NTMに起因する磁気島の発生場所に局所的に電子サイクロトロン電流駆動(ECCD)を行いNTMを安定化することにより、導体壁がないときのキンク限界までプラズマ圧力を高めることに成功した。モーショナル・シュタルク効果計測の結果を反映した実時間平衡計算により、NTMの安定化後もECCD位置を補正をし続けてNTMの発生を抑制した。同様の手法でNTMが発生する前からECCDを行うことにより、NTMの発生を予防し4%を超えるベータ値のプラズマを得ることに成功した。またNTMの予防に必要なパワーに関して、修正Rutherford式を用いた予測値と実験から得られた閾値でよい一致を示すことが明らかになった。

論文

Recent progress on the development and analysis of the ITPA global H-mode confinement database

McDonald, D. C.*; Cordey, J. G.*; Thomsen, K.*; Kardaun, O. J. W. F.*; Snipes, J. A.*; Greenwald, M.*; Sugiyama, L.*; Ryter, F.*; Kus, A.*; Stober, J.*; et al.

Nuclear Fusion, 47(3), p.147 - 174, 2007/03

 被引用回数:39 パーセンタイル:73.68(Physics, Fluids & Plasmas)

国際トカマク物理活動(ITPA)全体的Hモード閉じ込めデーターベースの第3版(DB3)に関し1994年から2004年の期間に行われた更新と解析について、この論文は記述する。エネルギー閉じ込め時間とその制御パラメータの巨視的データを、異なったサイズと形状の次の18装置から集めた。ASDEX, ASDEX Upgrade, C-Mod CoMPASS-D, DIII-D, JET, JFT-2M, JT-60U, MAST, NSTX, PBX-M, PDX, START, T-10, TCV, TdeV, TFTR及びUMAN-3M。このDB3データベースに基づき、幅広い物理研究が行われた。特に中心部と周辺部の振る舞いの分離,無次元解析、及びデータベースと1次元輸送コードとの比較に進展があった。データーベースは、ITERのような次期装置の閉じ込め特性の基盤を評価することを主要な目的としており、この論文でも解析結果を踏まえて次期装置を議論する。

論文

Prevention of the 2/1 neoclassical tearing mode in DIII-D

Prater, R.*; La Haye, R. J.*; Luce, T. C.*; Petty, C. C.*; Strait, E. J.*; Ferron, J. R.*; Humphreys, D. A.*; 諌山 明彦; Lohr, J.*; 長崎 百伸*; et al.

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

DIII-Dでは、ITERハイブリッドシナリオと同等の運転領域で局所的な電子サイクロトロン電流駆動(ECCD)を用いることにより、m/n=2/1の新古典テアリングモード(NTM)の発生を予防することに成功した($$m$$はポロイダルモード数,$$n$$はトロイダルモード数)。モーショナルシュタルク効果計測の結果を用いて実時間で平衡計算を行い$$q=2$$の場所を追跡することが可能になった結果、NTMが発生していなくても$$q=2$$の場所に電流駆動を行うことが可能となった。この制御システムを用い、ITERハイブリッドシナリオと同等の運転領域で2/1モードを回避し、良好な閉じ込め性能を1秒間以上維持することに成功した。このときのベータ値は、導体壁がないときの理想キンクモードの安定性限界と同等であった。またこの実験結果は、修正Rutherford式を使ったモデル計算でよく説明できることも明らかになった。

論文

The Role of aspect ratio and beta in H-mode confinement scalings

Kaye, S. M.*; Valovic, M.*; Chudnovskiy, A.*; Cordey, J. G.*; McDonald, D.*; Meakins, A.*; Thomsen, K.*; Akers, R.*; Bracco, G.*; Brickley, C.*; et al.

Plasma Physics and Controlled Fusion, 48(5A), p.A429 - A438, 2006/05

 被引用回数:12 パーセンタイル:56.78(Physics, Fluids & Plasmas)

NSTXとMASTからの低アスペクト比データで拡大されたHモードデータベースを用いて、アスペクト比とベータの閉じ込め比例則に対する影響を、いろいろな統計手法を適用して調べた。予測変数として工学的パラメータを用いた比例則開発から、逆アスペクト比依存性は0.38から1.29乗にあることがわかった。これらの比例則を物理変数の比例則に変換すると、規格化エネルギー閉じ込め時間はベータ増加により低下する。アスペクト比とベータの間には強い相関があるので、物理変数をもとにする比例則は不確実になっている。

論文

Scaling of the energy confinement time with $$beta$$ and collisionality approaching ITER conditions

Cordey, J. G.*; Thomsen, K.*; Chudnovskiy, A.*; Kardaun, O. J. W. F.*; 滝塚 知典; Snipes, J. A.*; Greenwald, M.*; Sugiyama, L.*; Ryter, F.*; Kus, A.*; et al.

Nuclear Fusion, 45(9), p.1078 - 1084, 2005/09

 被引用回数:47 パーセンタイル:15.78(Physics, Fluids & Plasmas)

ELMyHモードデータベースの最新版の状況を再検査した。一般最小2乗回帰法における幾つかの変数について偏りがあることが確認された。これらの欠点に注意して、3種の解析手法、(a)主要素回帰法,(b)変数内誤差手法、及び(c)偏りの小さい少数変数による解析、を取り入れた。標準的な工学的変数で表した比例則とともに、無次元物理変数を用いた比例則を導出した。新比例則は従来の比例則に比べて、ITERの標準的ベータ運転に関して同様な性能を予測するが、より高いベータの運転では性能が高くなると予測する。

論文

Toroidal electric field effect and non-linear effect on electron cyclotron current drive in JT-60U

鈴木 隆博; 井手 俊介; 濱松 清隆; Petty, C. C.*; Lao, L. L.*; 諫山 明彦; 藤田 隆明; 池田 佳隆; 関 正美; 森山 伸一; et al.

プラズマ・核融合学会誌, 80(6), p.511 - 515, 2004/06

電子サイクロトロン波電流駆動(ECCD)の理論の検証は電子の衝突緩和に比べて小さなトロイダル電場$$E_phi$$や低パワー密度$$p$$の領域に未だ限られている。JT-60UではEC加熱パワーの増強により、電場とパワー密度を拡大した領域で実験が可能になった。本領域ではトロイダル電場またはEC波加熱により電子の速度分布が大きく歪み、ECCDの効率に影響することが予想される。本研究では、実験で測定したEC駆動電流及びその分布を、線形または非線形のFokker Planck計算と比較し、速度分布関数の歪みの効果を議論する。実験と線形計算による規格化電流駆動効率$$zeta$$の比$$zeta_{rm exp}/zeta_{rm cal}$$の規格化電場$$E_{phi}/E_{rm D}$$及び規格化パワー$$p/n_{rm e19}^{2}$$に対する依存性を調べた。$$E_{rm D}$$, $$n_{rm e19}$$はそれぞれDreicer電場,$$10^{19}/{rm m}^{3}$$単位の電子密度である。実験では、$$p/n_{rm e19}^{2}$$の増加とともに$$E_{phi}/E_{rm D}$$は負の方向に絶対値が増加し、両者はほぼ線形の依存性を示した。$$p/n_{rm e19}^{2}<0.5$$, $$|E_{phi}/E_{rm D}|<0.01$$では、誤差の範囲で$$zeta_{rm exp}$$$$zeta_{rm cal}$$に一致した。$$E_{phi}/E_{rm D}$$が負の方向に絶対値が大きくなるにつれ、また$$p/n_{rm e19}^{2}$$が大きくなるにつれ、$$zeta_{rm exp}/zeta_{rm cal}$$は減少する傾向を示した。ここでEC駆動電流の方向をトロイダル電場の正方向とする。 $$p/n_{rm e19}^{2} sim 4.9$$, $$E_{phi}/E_{rm D} sim -0.086$$では、$$zeta_{rm exp}/zeta_{rm cal}$$は0.68になり、線形コードは$$zeta$$を過大評価していると考えられる。本線形計算は、トロイダル電場が負の方向に大きくなると電流駆動効率を過大評価し、加熱パワー密度の増大による非線形効果が大きくなると過小評価する傾向がある。実験結果は、これら2つの効果を考えることにより説明できる。

論文

Heating and current drive by electron cyclotron waves in JT-60U

鈴木 隆博; 井手 俊介; 濱松 清隆; 諫山 明彦; 藤田 隆明; Petty, C. C.*; 池田 佳隆; 梶原 健*; 内藤 磨; 関 正美; et al.

Nuclear Fusion, 44(7), p.699 - 708, 2004/05

 被引用回数:28 パーセンタイル:31.16(Physics, Fluids & Plasmas)

JT-60Uにおける電子サイクロトロン(EC)波による加熱と電流駆動についての研究を発表する。LH波により生成された負磁気シアプラズマの中心部にEC波を入射し、26keVの電子温度を達成した。規格化小半径0.3程度までの広い領域で電子温度は24keVを超える。電子温度16keVまでの範囲でEC波による電流駆動効率$$eta_{rm CD}$$を調べ、電流駆動効率が電子温度に比例することがわかった。規格化電流駆動効率$$zeta=e^{3}eta_{rm CD}/epsilon_{0}^{2}kT_{rm e}$$は0.16であった。捕捉粒子効果はEC波の吸収位置に依存し規格化電流駆動効率を減少させると考えられ、不安定性の抑制等のために必要な駆動電流と加熱パワーの評価に影響する。そのため$$zeta$$の吸収位置に対する依存性を調べた。トーラスの弱磁場側での吸収では$$zeta$$に顕著な減少が観測された。Fokker-Planck計算と合致することから捕捉粒子効果を同定した。

論文

Radiofrequency experiments in JFT-2M; Demonstration of innovative applications of a travelling wave antenna

小川 俊英; 星野 克道; 金澤 貞善*; 三枝 幹雄*; 井戸 毅*; 川島 寿人; 糟谷 直宏*; 高瀬 雄一*; 木村 晴行; 三浦 幸俊; et al.

Nuclear Fusion, 41(12), p.1767 - 1775, 2001/12

 被引用回数:23 パーセンタイル:38.7(Physics, Fluids & Plasmas)

JFT-2Mでは、世界で初めて速波電流駆動用に進行波型(コムライン)アンテナを用いた実験を行い、新しい応用の実証を行っている。電子サイクロトロン加熱中のプラズマで、方向性の高い速波入射により少なくとも10keV以上の高エネルギー電子がプラズマ中心に生成されることを確認した。電流駆動方向を変えた放電を比較したが、ループ電圧、軟X線スペクトルに顕著な差は見られず、駆動電流の評価には至っていない。2周波数同時入射によって励起されるビート波が作るPonderomotiveポテンシャルを重イオンビームプローブ計測を用いて測定することに成功した。0.4$$<$$r/a$$<$$1.0の範囲でポテンシャルの空間分布が測定でき、速波の電磁界分布の直接測定法として使える可能性を示した。コムライン・アンテナが作る高周波電界により、広いトロイダル磁場範囲でプラズマが生成できることを実証した。

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