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前山 伸也*; 渡邉 智彦*; 仲田 資季*; 沼波 政倫*; 朝比 祐一; 石澤 明宏*
Nature Communications (Internet), 13, p.3166_1 - 3166_8, 2022/06
被引用回数：14 パーセンタイル：93.39(Multidisciplinary Sciences)乱流輸送は、磁場閉じ込め核融合プラズマを閉じ込めるための重要な物理過程である。最近の理論的,実験的研究により 小さい(電子)スケールと大きい(イオン)スケールの乱流の間にクロススケールの相互作用が存在することが明らかにされている。従来の乱流輸送モデルではクロススケール相互作用が考慮されていないため、将来の核燃焼プラズマ実験においてクロススケール相互作用を考慮する必要があるかどうかを明らかにする必要がある。核燃焼プラズマ実験では、核融合で生まれたアルファ粒子によって高い電子温度が維持されるため、プラズマの性質が今まで実験されてきたものと大きく異なると予測される。本論文では、スーパーコンピュータを用いたシミュレーションにより、高電子温度プラズマにおける電子スケールの 電子温度プラズマの乱流は、電子だけでなく燃料や灰の乱流輸送にも影響を与えることを明らかにした。電子スケールの乱流は、イオンスケールの微小的不安定性の原因である共鳴電子の軌道を乱し、大きなスケールの乱流揺らぎを抑制する。同時に、イオンスケールの乱流渦も電子スケールの乱流を抑制する。これらの結果は 異なるスケールの乱流が互いに排他的であることを示す。また、クロススケール相互作用により、熱流束が減少する可能性を示す。
岡本 正雄*; 濱松 清隆; 村上 定義*; 中島 徳嘉*
プラズマ・核融合学会誌, 77(6), p.536 - 546, 2001/06
核融合プラズマに対して、著者たちがモンテカルロ法を用いて行ってきた粒子シミュレーションの研究結果と問題点を紹介する。プラズマ中に発生した高エネルギー粒子の減速過程及びその過程におけるプラズマ加熱について述べ、また、これらの過程における高エネルギー粒子の衝突性輸送について考える。第3.1節ではモンテカルロ・シミュレーションの概要・歴史を紹介する(岡本担当)。第3.2節ではトカマクの場合(濱松担当)、第3.3節ではヘリカル系の場合(村上担当)を考える。さらに第3.4節では、新古典輸送を論じる(中島担当)。本章では、著者たちが最近行ってきたモンテカルロ・シミュレーションによる研究結果を中心に概観する。
荒 克之
平成8年電気学会全国大会講演論文集, 0, p.S8.33 - S8.36, 1996/03
原子力開発における磁気センシングについて、磁性材料と放射線の影響、磁気センシングの環境条件、原子炉における磁気センシング、原子炉内実験における磁気センシング、核融合プラズマ実験における磁気センシングについてレビューした。磁性材料については耐放射線性および耐熱性から永久磁石にはアルニコ系、軟磁性材料にはSi-Fe系およびマルテンサイト系ステンレス鋼が使われる。原子炉の磁気センシングにはPWRの制御棒位置検出器がある。原子炉内実験ではいろいろなタイプのセンサが、温度、変位、流量等の計測に使われている。FBRでは液体Naのレベル、流量等の計測に利用されている。核融合プラズマ実験では磁気プローブによるプラズマの等磁界面の計測、プラズマ電流プロファイルの計測が行われる。
坂本 慶司; 恒岡 まさき; 春日井 敦; 高橋 幸司; 今井 剛; 假家 強*; 林 健一*; 満仲 義加*; 平田 洋介*
プラズマ・核融合学会誌, 71(10), p.1029 - 1037, 1995/10
核融合プラズマの電子サイクロトロン加熱/電流駆動用発振源である電圧降下型高効率ジャイロトロンの開発を行った。発振周波数は110GHz、発振モードは回廊モード(TE22,2モード)である。発振に使用された後の電子ビームの残留エネルギーを静電的に回収することにより、出力610kW、パルス幅50ミリにおいて効率を30%から50%に向上させることに成功した。また、350kW、5秒運転でも効率48%を達成した。このエネルギー回収時における電子の挙動を調べ、ジャイロトロンに閉じ込められた低速電子もジャイロトロン内ミリ波で加速されたジャイロトロン外に吐き出され、安定な発振を保証することが明らかとなった。このエネルギー回収型ジャイロトロンの成功により、効率の向上、冷却系の簡素化、ジャイロトロン自身の簡素化ができることになり、核融合用ECHシステムの開発に大きな見通しが得られた。
恒岡 まさき; 藤田 秀男*; 今井 剛; 浅香 敏夫*; 飯山 俊光*
電気学会論文誌,D, 115(5), p.539 - 544, 1995/00
プラズマ核融合の電子サイクロトロン共鳴加熱装置(ECRH)の発振源であるジャイロトロンの効率は30%台と低くコストパフォーマンスが低い難点がある。そこでエネルギー回収ジャイロトロンと駆動電源を開発した。本論文はこの駆動電源のうち、重要な電子ビームの加速電源の開発について述べた。本電源はDC-DCコンバータ方式を採用したDC250V、120AをDC100kV、0.3Aに変換するもので5kHzのインバータ、高周波昇圧変圧器およびPWMチョッパ回路によって構成されている。高周波変圧器においては正弦波で7kHzまでの周波数応答を得ている。この変圧器と対に6台のインバータを30°の位相差を設けて特高出力のリップルを緩和している。さらにチョッパ制御には積分制御と状態フィードバックを用いてオーバーシュートすることなく20msの応答速度を得ている。これにより効率48%のジャイロトロン実験に成功した。
M.Hoek*; 西谷 健夫; 池田 裕二郎; 森岡 篤彦
JAERI-M 94-002, 25 Pages, 1994/01
JT-60Uにおいて、1放電当りの積算中性子発生量を、シリコン、アルミニウム、銅、亜鉛、ニッケルの箔を用いた中性子放射化法により測定した。モンテカルロ法(MCNPコード)を使用した中性子輸送計算により、照射位置での中性子フルエンスと中性子エネルギー分布を決定した。最近導入した、中性子放射化箔により高ポロイダルベータ実験時に、約100の箔を照射した。2.5MeV中性子発生量の初期測定結果は核分裂電離箱で測定した中性子発生量と良く一致することを確認した。上に示した箔のうち、インジウム箔が全中性子発生量測定に最も適しており、測定誤差は~15%である。重水素-重水素反応の2次生成物であるトリチウムと重水素との核融合反応で生じる14MeV中性子発生量の測定には、シリコンとアルミニウムが最も適しており、測定誤差は~15-20%である。測定されたトリトンの燃焼率は、0.5~1%であった。
恒岡 まさき; 坂本 慶司; 春日井 敦; 今井 剛; 假家 強*; 林 健一*; 満仲 義加*
電気学会論文誌,B, 114(11), p.1179 - 1180, 1994/00
本論文はCPDジャイロトロンとそれを駆動する電源システムについて述べたものである。CPDジャイロトロンは発振終了後の電子ビームを減速させるため、コレクターとボディを絶縁し、カソードとボディ間に加速電界を与え、ボディとコレクター間に減速電界を与えてエネルギー回収するものである。これを駆動する電源は加速電源と発振電力を供給する主電源の2種に分けた。これらを組合せて発振実験を行った結果、従来は30%台の効率が50%に向上し、さらに350kW、5secの出力を得て、世界初の高効率で高出力の実験に成功した。また、この発振実験により、電力を供給している主電源の容量を大幅に下げることが出来ることを実証した。
仲田 資季; 本多 充; 吉田 麻衣子; 浦野 創; 前山 伸也; 沼波 政倫*; 渡邉 智彦*
no journal, ,
ITERやDEMOに代表される大規模な燃焼プラズマの輸送特性の解析・予測においては、核融合プラズマの第一原理モデルであるジャイロ運動論に基づいた乱流輸送シミュレーションが有効であり、その定量予測性能の検証が近年の課題となっている。本研究では、乱流シミュレーションコードGKV-Jへ実トカマク形状効果を新たに導入し、JT-60Uトカマクに対する第一原理的乱流輸送シミュレーションを実現した。イオン種に加え、通過/捕捉電子も運動論的に取り扱うことにより、半径位置 に応じた微視的不安定性の同定が可能となり、それらが駆動する乱流中のゾーナルフロー形成過程や熱・粒子に関する乱流輸送特性が明らかとなった。拡張されたGKV-Jによる乱流シミュレーション結果は、従来の流体輸送モデルでは定量性を著しく欠いていた領域に対しても、イオン/電子熱輸送レベルに関する実験結果をよく再現することに成功している。加えて、JT-60SA配位での乱流輸送における形状度の影響を同定することにも成功した。
仲田 資季; 本多 充; 吉田 麻衣子; 浦野 創; 前山 伸也; 沼波 政倫*; 渡邉 智彦*
no journal, ,
ITERやDEMOに代表される次世代の燃焼プラズマの乱流輸送特性の解明と予測には、核融合プラズマの第一原理モデルであるジャイロ運動論に基づいた乱流輸送シミュレーションが不可欠である。本研究では、著者らが開発している第一原理乱流シミュレーションコードGKV-Jを駆使して、実際のJT-60Uトカマク平衡を用いたITG-TEM駆動乱流輸送シミュレーションを実現した。まず、微視的線形安定性解析により、プラズマ内側領域ではITGモード、中間領域ではITG-TEMモード、外側領域ではTEMモードが支配的となることを同定した。次に非線形乱流輸送シミュレーションを実施し、GKV-Jのシミュレーション結果が従来の流体輸送モデルでは定量性を著しく欠いていた領域に対しても、イオン/電子熱輸送レベルに関する実験結果をよく再現することを確認した。また、詳細な乱流データの解析により、イオン/電子熱輸送、粒子輸送といったそれぞれの輸送チャンネルに対して異なる乱流/ゾーナルフロー強度の依存性が存在することが明らかになった。
吉田 雅史; 花田 磨砂也; 小島 有志; 柏木 美恵子; 梅田 尚孝; 平塚 淳一; 秋野 昇; 遠藤 安栄; 小又 将夫; 藻垣 和彦; et al.
no journal, ,
JT-60SA負イオン源では、JT-60SAにて要求される大電流負イオンビームの長時間生成を達成するための研究課題の一つであるビームの一様性改善を進めている。これまでに従来の磁場構造からテント型磁場構造を基にした新たな磁場構造を用いることで、一様な負イオンビーム生成が可能となった。それと同時に、負イオン生成効率が向上するとともに電子の引出抑制効率が劣化した。本研究ではこれらの原因を解明するために、磁場構造と負イオンの親粒子である水素イオン、原子および電子との関係を調べた。その結果、新たな磁場構造を用いることで生じたフィルター磁場強度の減少によって、水素イオンや原子のプラズマ電極への流入量が増大し、負イオン生成効率が向上したことが分かった。他方、この減少により、プラズマ電極近傍での電子密度が増大して、電子の引出抑制効率が劣化することも分かった。ただし、5枚すべての引出電極の電子による熱負荷は一様で、引出電極の設計の範囲内であった。以上の結果より、改良後の磁場構造が有用であることが分かった。今後この磁場構造を用いて22A、100秒負イオンビーム生成を目指す。
井戸村 泰宏
no journal, ,
Full-fジャイロ運動論コードを用いたイオン温度勾配駆動(ITG)乱流の数値実験によって水素プラズマと重水素プラズマの閉じ込め特性の違いを調べた。加熱パワーと装置サイズをスキャンした結果、雪崩的な比局所熱輸送の間欠的なバーストによってイオン温度分布の硬直性が発生し、その結果、閉じ込め時間のBohm的なスケーリング
が得られることがわかった。ここで、
はイオンの質量、
は規格化したジャイロ半径を示す。以上の結果から、ITG乱流の閉じ込め時間が質量に比例することを示した。
井戸村 泰宏; 前山 伸也*; 仲田 資季*; 沼波 政倫*; 石澤 明宏*; 渡邉 智彦*
no journal, ,
京コンピュータにおいて大規模CFDシミュレーションのための新しい並列最適化技術を開発し、有限差分法、および、スペクトル法に基づく核融合プラズマ乱流コードの強スケーリングを百万コア級に向上した。この最適化技術は多次元・多階層領域分割、3次元トーラスネットワークにおけるプロセス配置最適化、通信と演算の同時処理から構成される。強スケーリングの向上により核融合プラズマ乱流コードの性能は適用範囲は問題規模と時間スケールの両面で劇的に拡大し、乱流熱輸送のプラズマサイズ依存性やマルチスケール電子乱流における電子熱輸送といったITERの重要問題の研究が可能になった。
井戸村 泰宏
no journal, ,
本講義では核融合プラズマ乱流のジャイロ運動論シミュレーションの進展を概説する。第一に、6次元ブラゾフ方程式から5次元ジャイロ運動論方程式に至る物理モデルの理論的枠組、そして5次元ジャイロ運動論方程式におけるマルチスケール現象を扱うシミュレーションモデルを示す。第二に、LagrangianやEulerianといった数値手法の特徴を示し、無衝突プラズマ乱流シミュレーションにおける数値的散逸の役割を議論する。第三に、ジャイロ運動論シミュレーションの最近の進展について、特に、full-fジャイロ運動論モデルの数値実験やイオン-電子マルチスケール電子乱流シミュレーションに焦点を当てて概説する。
