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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:14 パーセンタイル:23.25(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

Plasma size scaling of avalanche-like heat transport in tokamaks

Jolliet, S.; 井戸村 泰宏

Nuclear Fusion, 52(2), p.023026_1 - 023026_14, 2012/02

The influence of plasma size on global Ion Temperature Gradient turbulence is studied with the full-$$f$$ Eulerian code GT5D. Plasma sizes from $$rho^*=1/100$$ to $$rho^*=1/225$$ are studied by scaling the minor radius $$a$$ and the input power. For the first time, worse-than-Bohm scaling is observed in experimentally realistic conditions. Global effects are investigated by looking at the force balance relation and the avalanches dynamics. It is found that the parallel momentum and radial electric field profiles are coupled. A low shearing rate region is induced in the large plasma size simulation and enhances heat transport. In this region, the dynamics of avalanches is altered. GT5D simulations therefore highlight avalanches as a non-local mechanism for broken gyro-Bohm scaling and point out the importance of the yet unknown plasma size effects on momentum transport.

論文

Edge pedestal characteristics in JET and JT-60U tokamaks under variable toroidal field ripple

浦野 創; Saibene, G.*; 大山 直幸; Parail, V.*; de Vries, P.*; Sartori, R.*; 鎌田 裕; 神谷 健作; Loarte, A.*; L$"o$nnroth, J.*; et al.

Nuclear Fusion, 51(11), p.113004_1 - 113004_10, 2011/11

 被引用回数:6 パーセンタイル:64.22(Physics, Fluids & Plasmas)

JET及びJT-60Uにおいてトロイダル磁場リップルのスキャン実験を実施し、トロイダル磁場リップルによる周辺ペデスタル構造への影響を評価した。トロイダル磁場リップルは赤道面外側のセパラトリクス上で定義した。JT-60Uではフェライト鋼導入によってトロイダル磁場リップルは$$1%$$から$$0.6%$$に低減し、一方JETではコイル電流の調整によって$$0.1%$$から$$1%$$まで変化させた。JT-60Uではフェライト鋼導入によってペデスタル圧力に大きな差異は見られなかった。同様にJETでもペデスタル部の密度・温度に差異が見られなかった。しかし両装置ともに周辺トロイダル回転速度はリップルの増大とともに逆方向にシフトした。JT-60UではELM周波数がリップルとともに増大したが、JETでは変化が観測されなかった。この装置間比較実験の結果から、$$1%$$以下のトロイダル磁場リップルは周辺ペデスタル構造に大きな影響を与えないことが示された。しかし、ITERのような低衝突周波数領域での影響については今後の課題である。

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:30 パーセンタイル:13.44(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

ITER project and fusion technology

高津 英幸

Nuclear Fusion, 51(9), p.094002_1 - 094002_16, 2011/09

 被引用回数:5 パーセンタイル:68.87(Physics, Fluids & Plasmas)

本論文は、2010年10月、大田(韓国)において開催された第23回IAEA核融合エネルギー会議において、ITER,核融合工学及び環境安全性の3つのセッションで発表された論文のハイライトをまとめたサマリーである。

論文

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

トカマクプラズマにおいて、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(ELM)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。特に、ELMに対して重要と考えられる中間波長MHDモードの安定性は、この不安定化機構と回転シアによる局所的なドップラーシフトから生じる安定化との兼ね合いで決まっていることを示した。これらの理解の元に、JT-60Uプラズマにおけるtype-I ELMy H-modeプラズマの数値実験解析を行い、プラズマ回転によりELMの性質が変化している放電の比較から、プラズマ回転によるMHDモードの不安定化が重要な役割を果たしていることを明らかにした。

論文

Technology development for the manufacture of Nb$$_{3}$$Sn conductors for ITER Toroidal Field coils

高橋 良和; 礒野 高明; 濱田 一弥; 布谷 嘉彦; 名原 啓博; 松井 邦浩; 辺見 努; 河野 勝己; 小泉 徳潔; 押切 雅幸; et al.

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

ITER計画において、原子力機構はトロイダル磁場(TF)コイル用Nb$$_{3}$$Sn導体の調達を行っている。製造しているNb$$_{3}$$Sn素線の量は、これまでの経験と比較して非常に大きく、要求されている超伝導性能はITERの工学設計活動(EDA)において製作・試験されたモデルコイルの性能と比較して非常に高いものであり、素線製造において、品質管理技術が重要である。導体製造技術においては、精度の高い外径寸法及びジャケットの溶接部において高い気密性が要求されているため、総合的な品質管理技術が要求される。2010年1月に導体製作装置が完成し、760mの銅ダミー導体が成功裏に製作され、導体製造技術が適正なものであることが立証された。そこで、2010年3月より、TFコイル用導体の製造を開始した。これらの技術の要点を記述する。

論文

3D effect of ferromagnetic materials on alpha particle power loads on first wall structures and equilibrium on ITER

篠原 孝司; Kurki-Suonio, T.*; Spong, D.*; Asunta, O.*; 谷 啓二*; Strumberger, E.*; Briguglio, S.*; G$"u$nter, S.*; Koskela, T.*; Kramer, G.*; et al.

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

Within the ITPA Topical Group on Energetic Particles, we have investigated the impact of the axisymmetry breaking of the tokamak in ITER. First, the validity of using a 2D equilibrium was investigated: a 3D equilibrium was reconstructed using the VMEC code, and it was verified that no 3D equilibrium reconstruction is needed but it is sufficient to add the vacuum field perturbations onto an 2D equilibrium. Then the alpha particle confinement was studied using ASCOT, and F3D OFMC codes. The distribution of the power load was found to depend on the first wall shape. We also made the first attempt to accommodate the effect of fast ion related MHD on the wall loads in ITER using the HMGC and ASCOT codes. The peak power flux to the wall was found to increase by an order of magnitude. Furthermore, the effect of the ELM mitigation field on the fast ion confinement was addressed by simulating NBI ions with the F3D OFMC code. The loss power fraction of NBI ions was found to increase from 0.3% to 5.6%.

論文

Demonstration of 500 keV beam acceleration on JT-60 negative-ion-based neutral beam injector

小島 有志; 花田 磨砂也; 田中 豊*; 河合 視己人*; 秋野 昇; 椛澤 稔; 小又 将夫; 藻垣 和彦; 薄井 勝富; 佐々木 駿一; et al.

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

JT-60N-NBIの負イオン源は今まで耐電圧性能が低く、入射パワーが制限されているのが問題であった。そこで、加速電極の間隔を拡げて、負イオン源内の最短の真空絶縁距離である支持枠角部の電界集中を低減した結果、単段の要求性能を超える200kVを保持することに成功し、設計指標となっていた大型の負イオン源では小型電極よりも6から7倍程度長い真空絶縁距離が必要であることが明らかになった。その理由として電極の面積が100倍異なることだけでなく、1080個もある電極孔や支持枠等の局所電界の電界分布が影響していることが小型電極の実験結果から予測される。そして、1/5のビーム引き出し領域からビーム加速試験を実施した結果、従来420keVが最高であったビームエネルギーを最高507keVまで上昇させることに成功した。ギャップ長を増加させたことによりビーム光学が劣化して電極熱負荷が増大することが懸念されたが、今回のギャップ長の範囲ではビーム光学の劣化がないことを確認した。これらの結果はJT-60SAやITERのNBIにおける耐電圧設計に大きく貢献するものである。

論文

Analytic theory of a matching problem generalized for stability analysis of resistive wall modes in rotating plasmas

白石 淳也; 徳田 伸二*

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

高性能定常トカマクにおいて、プラズマ回転による抵抗性壁モード(RWM: Resistive Wall Mode)の安定化は、最も重要な物理・工学的課題の一つである。RWMの安定化における回転の効果、特に、回転が本質的となる場所(有理面,共鳴面,プラズマ表面等)を明らかにするために、安定性解析における接続問題を拡張してきた。回転の効果を取り入れると、接続問題で中心的役割を果たすNewcomb方程式(RWMの共鳴が起きない領域を支配する)は一般化される。回転によるDopplerシフトにより、Newcomb方程式の特異点は分離する。回転がない場合にはRWMの共鳴面(内部層と呼ぶ)と特異点は一致する。しかし、回転がある問題では、不安定なRWMは回転周波数をもつため共鳴面が特異点からずれる。回転周波数は問題を解かないとわからないから、共鳴を起こす場所があらかじめわからない。よって、無限に薄い内部層を用いる従来の漸近接続法は適用できない。本研究では、有限な厚みを持つ内部層を持つよう漸近接続法を一般化することにより上記の問題を解決できることを示す。さらに、この一般化された接続問題に対する解析的な理論を構築し、数値計算結果の解釈を行う。

論文

Effects of strong E$$times$$B flow on gyrokinetics

宮戸 直亮; Scott, B. D.*; 徳田 伸二*; 矢木 雅敏

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

相空間ラグランジアンに対するリー変換を用いた摂動法と場の理論に基づき、粒子相空間から案内中心相空間への変換を修正することで、標準的なオーダリングを越えた強いE$$times$$B流を伴う簡約化運動論モデルを構築した。その案内中心ラグランジアンのシンプレクティック部分は標準的なものと形式的に同じであり、強い流れのない標準モデルの自然な拡張と見なすことができる。標準モデルとの比較により、このモデルの様相を明らかにし、流れの影響を議論する。流速が亜音速の場合の一般的な粒子流体モーメントの押し出し表現を導いた。また、変分的な方法により、流速が音速である場合の粒子密度についての表現を導き、簡約化準中性条件に流れによる補正が現れることを発見した。

論文

Interactions between MHD instabilities in the wall-stabilized high-$$beta$$ plasmas

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

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

In the JT-60U wall-stabilized high-$$beta_mathrm{N}$$ plasmas, interactions between MHD instabilities have been observed. It is observed that an energetic particle driven wall mode (EWM) triggers an edge localized mode (ELM). When the EWM appears, type-I ELM crashes are synchronized with EWM bursts. The EWM-triggered ELMs have a higher frequency and less energy release than those of usual type-I ELMs. This interaction mainly occurs when the EWM with a large amplitude appears. In the SOL region, several measurements indicate ion losses induced by the EWM. Abrupt ion losses through the edge can increase as local pressure gradient at the pedestal that determines the edge stability. Moreover, another interaction that an EWM-triggered ELMs excites marginal resistive (RWM) is observed. Just after the EWM-triggered ELM, an $$n=1$$ distortion appears and decays soon. It is considered that an impact of the induced ELM can excite the marginally stable RWM.

論文

Inward pinch of high-Z impurity due to atomic processes in a rotating tokamak plasma and the effect of radial electric field

星野 一生; 藤間 光徳*; 清水 勝宏; 仲野 友英; 畑山 明聖*; 滝塚 知典

Proceedings of 23rd IAEA Fusion Energy Conference (FEC 2010) (CD-ROM), 6 Pages, 2011/03

トロイダル回転トカマクプラズマにおける高Z不純物輸送について解析的・数値的に調べた。トロイダル回転プラズマ中では、粒子軌道に沿った電離・再結合過程に起因して内向きピンチが回転の方向によらず起こることを示した。このピンチ機構は径電場により大きくなる。さらに、背景プラズマとのクーロン衝突を通して、外向き径電場の場合外向きピンチが、内向き径電場の場合内向きピンチがそれぞれ起こることを導いた。プラズマ電流に対して逆方向にトロイダル回転している場合、これらのピンチの向きは内向きであるため、高Z不純物の蓄積が起こる。一方、正回転の場合、外向き径電場に起因する外向きピンチは、電離・再結合過程に起因する内向きピンチにより緩和される。このような傾向は、JT-60Uで観測されたトロイダル回転に対するタングステン不純物の蓄積傾向と一致する。

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

Development of full-size mockup bushing for 1 MeV ITER NB system

戸張 博之; 井上 多加志; 花田 磨砂也; 大楽 正幸; 渡邊 和弘; 梅田 尚孝; 谷口 正樹; 柏木 美恵子; 山中 晴彦; 武本 純平; et al.

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

ITER NBI用高電圧(HV)ブッシングは、ガス絶縁方式である-1MV高圧電源伝送系と真空中に設置する負イオン源及び静電加速器の間の圧力隔壁であり、かつ電力を絶縁導入する重要な機器である。原子力機構では、これまでに5段重ねのHVブッシングの絶縁材に用いる世界最大(外径1.56m)の大口径セラミックの開発に成功した。また、サンプル試験や強度解析を行い、セラミックと金属を一体化する接合技術の開発を進めてきた。そして今回、この大口径セラミックに適用可能な厚肉コバール材を用いたロウ付け接合技術の開発に成功した。さらに、大口径セラミック,金属フランジなどを一体に組み上げHVブッシングの1段分を実サイズで模擬したモックアップを試作し、耐電圧試験を実施した。その結果、1段あたりの定格電圧の20%上回る240kVを1時間以上に渡り安定に保持し、ITER NBIで要求される絶縁性能を実証した。

論文

Impact of toroidal rotation and safety factor on ion turbulent transport in tokamaks

井戸村 泰宏; Jolliet, S.; 吉田 麻衣子; 浦野 創

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

大域的ジャイロ運動論的トロイダル5次元オイラーコードGT5Dを用いてイオン温度勾配駆動(ITG)乱流におけるトロイダル回転と安全係数qの影響を調べた。回転スキャン数値実験ではトロイダル回転に依存して径電場Erが変化する。Er分布によって局所的な輸送レベルは影響を受けるが、そのシア率が平均的に同程度であれば大域的な輸送特性は変化しない。qスキャン数値実験では大きなqにおいて乱流輸送が大きく増大する。ここで、qが大きいとErシアによる線形ITGモードの安定化効果が弱まることがわかった。イオン熱輸送と非拡散的な運動量輸送の両方が増大する。前者によりイオン温度勾配が低下するのに対し、後者はより大きな内側への運動量束、および、プラズマ炉心の電流方向の自発回転をもたらす。

論文

Estimation of kinetic parameters based on chirping Alfv$'e$n Eigenmodes

Lesur, M.*; 井戸村 泰宏; 篠原 孝司; Garbet, X.*

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

周波数掃引を伴うAlfv$'e$n固有モード(周波数掃引AE)をBerk-Breizman(BB)モデルで解析した。周波数掃引非線形解を与える運動論的パラメータ領域を同定し、新たな準周期的周波数掃引領域を発見した。ここで、周波数掃引事象の準周期は線形成長率に依存する。実験とBBモデルの非線形周波数掃引特性をフィッティングすることにより線形駆動率や外部減衰率といった基礎的な運動論的パラメータを評価した。この手法をJT-60UのトロイダルAEに適用し、モードが臨界安定よりかなり不安定な状態にあることがわかった。2つの衝突モデルを比較し、実験の非線形特性を再現するには動的摩擦と速度空間拡散が必要であることがわかった。実験において計測された摂動振幅の成長率、および、減衰率を再現し、実験の平衡分布データから衝突周波数を評価することによって解析結果を検証した。

論文

Overview of anomalous toroidal momentum transport

Peeters, A. G.*; Angioni, C.*; Bortolon, A.*; Camenen, Y.*; Casson, F. J.*; Dubal, B.*; Fiederspiel, L.*; Hornsby, W. A.*; 井戸村 泰宏; Kluy, N.*; et al.

Proceedings of 23rd IAEA Fusion Energy Conference (FEC 2010) (CD-ROM), 13 Pages, 2011/03

Toroidal momentum transport mechanisms are reviewed and put in a broader perspective. The generation of a finite momentum flux is closely related with the breaking of symmetry along the field. The symmetry argument allows for the systematic identification of possible transport mechanisms. Those that appear to lowest order in the normalized Larmor radius (the diagonal part, Coriolis pinch, E$$times$$B shearing, particle flux, and up-down asymmetric equilibriums) are reasonably well understood. At higher order, thought to be of importance in the plasma edge, the theory is still under development.

論文

Transport and turbulence with innovative plasma shapes in the TCV tokamak

Labit, B.*; Pochelon, A.*; Rancic, M.*; Piras, F.*; Bencze, A.*; Bottino, A.*; Brunner, S.*; Camenen, Y.*; Chattopadhyay, P. K.*; Coda, S.*; et al.

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

We present recent results on turbulence measurements in TCV L-mode plasmas. The transport reduction at negative triangularity (compared to positive triangularity) is reflected in the reduction of the temperature fluctuation level, in the low frequency part of the spectrum (30-150 kHz), measured by correlation ECE in the outer equatorial plane. The TEM induced transport computed from nonlinear gyrokinetic simulations is shown to decrease with decreasing triangularity and increasing collisionality. First results of an experimental scenario to reach the H-mode regime at negative triangularity in TCV are presented. Then, we report on an innovative divertor magnetic configuration: the snowflake (SF) divertor as opposed to the classical single-null (SN) divertor. For ELMy SF plasmas, the strike-point properties (density, temperature, fluctuation level,...) are studied with Langmuir probes (LPs) and compared with those of a SN configuration obtained within the same discharge.

論文

1 MV holding and beam optics in a multi-aperture multi-grid accelerator for ITER NBI

柏木 美恵子; 谷口 正樹; 小島 有志; 大楽 正幸; 花田 磨砂也; Hemsworth, R. S.*; 水野 貴敏*; 武本 純平; 田中 政信*; 田中 豊*; et al.

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

原子力機構の多孔多段加速器では、ITERの中性粒子入射装置に必要な1MeV, 200A/m$$^{2}$$の負イオンビーム加速を目指している。耐電圧試験では、加速器の耐電圧は理想的な電極の耐電圧の半分程度であることがわかった。複雑な構造を有する電極や電極支持部の局所的な電界集中が問題であると考え、電極間ギャップを延長し、電極支持部の端部の曲率を大きくして電界集中を抑えた。その結果、真空耐電圧が改善し、1MVで4000秒の電圧保持を達成した。ビーム加速でも、従来の796keV, 0.32A (140A/m$$^{2}$$)から879keV, 0.36A (157A/m$$^{2}$$)に大きく進展した。一方、ビーム加速試験では、磁場とビーム間の空間電荷反発によりビームが曲げられて電極に衝突し、ビームエネルギー・電流減少の原因となっていた。3次元ビーム解析において、このビームの偏向量を明らかにして孔ずれと電界補正板を用いたビーム偏向補正方法を設計し、加速器試験でこの補正法が有効に機能することを確認した。

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