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論文

Confinement of alpha particles in a low-aspect-ratio tokamak reactor

谷 啓二; 飛田 健治; 飯尾 俊二*; 筒井 広明*; 西尾 敏; 青木 尊之*

電気学会論文誌,A, 125(11), p.938 - 942, 2005/11

低アスペクト比トカマク炉VECTORにおけるアルファのリップル損失を軌道追跡モンテカルロコードを用いて検討した。リップル損失は、アスペクト比は小さくになるにしたがって急激に減少する。このため、VERCTORではアルファ粒子は非常によく閉じ込められる。低アスペクト炉における良好なアルファ粒子閉じ込めにより、プラズマ外側端近傍の真空容器に冷却機構を設け、トロイダル磁場コイル内径を30%程度大きくすることで、トロイダル磁場コイル数を6程度まで削減できることがわかった。

論文

Alpha particle loss and neutral beam current drive in fusion plasma with central current hole

飛田 健次; 小関 隆久; 中村 幸治

Plasma Physics and Controlled Fusion, 46(7), p.S95 - S105, 2004/07

 被引用回数:10 パーセンタイル:62.17(Physics, Fluids & Plasmas)

ホール半径r/a=0.6の電流ホールを持つ核融合プラズマにおけるアルファ粒子閉じ込めとビーム電流駆動を数値解析により評価した。このように広い電流ホールが存在する場合、通常アスペクト比(約4)のトカマク炉では15%を超えるアルファ粒子損失が生じうることを示した。一方、低アスペクト比(約2)のトカマク炉は、リップル率の急速な減衰及び磁力線構造の点でアルファ粒子閉じ込めに優位であり、このような電流ホールに対しても損失は2%程度に抑えられる。ビーム電流駆動という観点では、電流ホールプラズマは要請するビームエネルギーが低く既存技術で対応できるという利点がある反面、電流ホールの維持のために必要な電流分布と実際の電流駆動分布がそろわない問題があり補助的な利用に限られる可能性がある。

論文

First wall issues related with energetic particle deposition in a tokamak fusion power reactor

飛田 健次; 西尾 敏; 小西 哲之; 佐藤 正泰; 田辺 哲朗*; 正木 圭; 宮 直之

Fusion Engineering and Design, 65(4), p.561 - 568, 2003/07

 被引用回数:19 パーセンタイル:19.52

核融合出力2GWのトカマク炉を想定して、プラズマから逃げ出す高エネルギーイオンの粒子束を定量評価し第一壁に及ぼす影響を検討した。高エネルギーアルファ粒子の粒子束は最大2$$times$$10$$^{18}$$m$$^{-2}$$s$$^{-1}$$に達し、タングステンアーマに対する損耗率は約20$$mu$$m/yrとなる。このことは、タングステンアーマがサイクル期間(約2年)中、残存するためには少なくとも100$$mu$$mの厚さが必要であることを示している。プラズマ中のD-D反応によって生成するトリチウムイオンが軌道損失によって壁に捕捉される量は7.5g/yrであり、トリチウム経済上は無視できる。トリチウムイオン粒子束は10$$^{15}$$-10$$^{16}$$m$$^{-2}$$s$$^{-1}$$となり大きな値ではないが、このような粒子束の高エネルギー水素イオン照射による材料の変質については理解されておらず、実験による材料健全性の確認が必要になることを指摘した。

論文

Reduction of energetic particle loss by ferritic steel inserts in ITER

飛田 健次; 中山 武*; Konovalov, S. V.; 佐藤 正泰

Plasma Physics and Controlled Fusion, 45(2), p.133 - 143, 2003/02

 被引用回数:23 パーセンタイル:36.2(Physics, Fluids & Plasmas)

高い安全係数を持つ負磁気シアでは、トロイダルリップルによる$$alpha$$粒子損失の増大が問題になる。このような損失を抑制する方法としてITERではフェライト鋼装着によるリップル磁場の平滑化を考えており、この方法の評価は高エネルギー粒子に関する国際トカマク物理活動(ITPA)の重要課題であった。本稿は、ITPAのタスクとして実施したシミュレーション結果をまとめたもので、$$alpha$$粒子損失低減に対してフェライト鋼装着が極めて有効であるを示す。フェライト鋼の装着位置及び厚さを最適化すると、$$alpha$$粒子の閉じ込めに不利な高安全係数運転(q$$_{min}$$=3)ですら、損失パワー割合は1%程度に抑制されることを明らかにした。

論文

Advanced material and high performance Experiments on JFT-2M

草間 義紀; JFT-2Mグループ

Proceedings of 30th EPS Conference on Controlled Fusion and Plasma Physics (CD-ROM), 4 Pages, 2003/00

JFT-2Mにおいては、原型炉の構造材料の有力な候補である低放射化フェライト鋼を真空容器内壁の全面に装着し、高性能プラズマと低放射化フェライト鋼との適合性に関する試験(先進材料プラズマ適合性試験)を進めている。これまでに、真空特性,プラズマ生成・制御等に対するフェライト鋼の影響,リップル損失の低減への効果はほぼ予測通りであり、また、従来とほぼ同じ性能の閉じ込め改善モード(Hモード)が得られることを確認した。さらに、定常運転に適した新しい運転モード(高リサイクリング定常Hモード)を発見し、内部輸送障壁と共存させることに成功して、JFT-2Mとしては最高の規格化ベータ値3.3を達成した。この高ベータ化の進展により、原型炉の運転で想定される高ベータ領域での研究を実施できる見通しが得られた。

論文

Fast ion loss measurement by IRTV in a reduced ripple experiment with ferritic inserts on JFT-2M

川島 寿人; 都筑 和泰; 谷 孝志; 佐藤 正泰; 鈴木 貞明; 木村 晴行

プラズマ・核融合学会誌, 78(9), p.935 - 940, 2002/09

JFT-2Mにおいて高空間時間分解能を持つ2次元赤外線カメラ(IRTV)システムを開発した。目的は、フェライト鋼板(FP)による高速イオンのリップル損失低減効果を評価することにある。IRTV本体は、時間分解能1/60秒,測定可能温度範囲0-500$$^{circ}C$$を有す。検出部分には、3~5$$mu$$mの赤外線に感度を持つPtSi素子が256$$times$$256個並べられている。第一壁を見込むための光学系構成を簡素化(レンズ,反射鏡,サファイア真空窓各1枚)し、カメラ位置から壁までの距離を3.5mまで短くして高空間分解能約3mmを得た。これを用いて、NBIが熱中,リップル補足損失イオンによる局所的温度上昇を観測することができ、FP装着前には、温度の最高上昇分$$Delta$$Tsが約75$$^{circ}C$$に達した。FP装着後、$$Delta$$Tsは明らかに減少し、リップル低減の最適条件では温度上昇がほぼ零になってFPの高速イオン損失低減効果を明らかにできた。

論文

Investigation on ripple loss reduction by ferritic steel plate insertion in JFT-2M; Comparison between experimental and computational data

佐藤 正泰; 木村 晴行; 三浦 幸俊; 中山 武*; 飛田 健次; 川島 寿人; 都筑 和泰; 伊世井 宣明

Nuclear Fusion, 42(8), p.1008 - 1013, 2002/08

 被引用回数:4 パーセンタイル:82.49(Physics, Fluids & Plasmas)

JFT-2Mではフェライト鋼とプラズマとの整合性を調べる先進材料プラズマ試験を現在段階的に進めている。第一段階のリップル低減試験では、トロイダル磁場コイルの直下で真空容器の外側にフェライト鋼板(FP)を設置して、トロイダル磁場のリップル(強弱)を低減し、高速イオンのリップル損失減少を実証した。フェライト鋼を装着した場合、磁場の構造が複雑に変化し、トロイダル磁場コイルの数に相当するトロイダルモード数の磁場リップルだけでなく、その高調波が発生する。磁場の強さとフェライト鋼の厚さを変え、基本波リップルと2倍高調波リップルを変化させることにより、リップル捕捉損失は、肩部の基本波リップル率に強く依存することを明らかにした。FPにより作り出される磁場を考慮に入れて軌道追跡モンテカルロコード(OFMC)を拡張し、実験結果と比較した。その数値結果は、リップル捕捉損失は肩部の基本波リップル率に強く依存し、実験事実を定性的に説明できる。

論文

Study of ripple loss of fast ions with ferritic insertion on JFT-2M

川島 寿人; 都筑 和泰; 伊世井 宣明; 佐藤 正泰; 篠原 孝司; 木村 晴行

Europhysics Conference Abstracts (CD-ROM), 25A, p.1337 - 1340, 2001/00

JFT-2Mではフェライト鋼板(FB)によるトロイダル磁場リップル及び電流方向(w)接線中性粒子入射(NBI)で生成された高速イオンのリップル捕捉(RT)損失の低減を実証した。今回は高速イオン損失にかかわるNBIの入射角の違いと損失低減効果の関係を調べるため逆電流方向接線NBI及び垂直NBIを用いリップル損失を測定した。垂直NBIでは$$delta$$(肩部の基本モード平均リップル率)が0.6%でRT損失割合が接線NBIの場合の約8倍になったが、0.07%にすると零になり損失低減効果がビーム入射角に依らないことが確かめられた。次に磁場リップルのトロイダル非一様性にかかわる高速イオン損失を第一壁温度上昇($$Delta$$T)のトロイダル分布から評価した。CO-NBI時に$$delta$$を0.07%(最小: -0.56%,最大: 0.84%)から0.71%(最小: 0.15%,最大: 1.1%)にした場合、局所的なリップル率の変動に比べて$$Delta$$Tの変動は小さく全体が平均値に沿って上昇し、局所的リップル率の依存性が小さいことを示した。

論文

ITER物理R&Dの成果,6; 高エネルギー粒子の物理

飛田 健次; 福山 淳*

プラズマ・核融合学会誌, 76(2), p.138 - 144, 2000/02

高エネルギー粒子に関するITER物理R&Dの成果をまとめた。負磁気シアによる先進定常運転では$$alpha$$粒子のリップル損失が危惧されるが、真空容器へのフェライト鋼挿入により壁の熱設計レベル(~1MW/m$$^{2}$$)に低減することができる。予想される$$alpha$$粒子$$beta$$値では多数のアルフヴェン固有モード(AEモード)が不安定化する可能性がある。AEモードが不安定化したときの$$alpha$$粒子損失は今後の検討課題である。また、ITERでは、$$alpha$$粒子による鋸歯状振動の安定化、フィッシュボーン振動の不安定化も起こると予想される。

論文

負磁気シアトカマク放電におけるリップル損失の数値解析

飛田 健次; 濱松 清隆; 滝塚 知典; 鈴木 正信*

プラズマ・核融合学会誌, 75(5), p.582 - 593, 1999/05

ITER最終設計の負磁気シア放電における$$alpha$$粒子及びビームイオンのリップル損失を計算した。その結果、正磁気シアの場合と比べ、負磁気シアでは多大なリップル損失が生ずることがわかった。$$alpha$$粒子損失は25%に達し、このときの第一壁への熱負荷は最大3.7MW/m$$^{2}$$となり、第一壁の設計条件に対して裕度がない。また、ビームイオンの損失も20%と高くなる。リップル損失を許容レベルに抑えるためには、プラズマ表面でのリップル率を0.5%程度まで低減する必要がある。フェライト鋼の真空容器への挿入が最も現実的なリップル低減法である。このようなリップル率低減によって、$$alpha$$粒子及びビームイオンのリップル損失は、それぞれ、10%及び4%となる。

論文

ITER physics basis, 5; Physics of energetic ions

高エネルギー粒子加熱及び電流駆動専門家G

Nuclear Fusion, 39(12), p.2471 - 2494, 1999/00

ITER物理専門家グループ活動の成果の集大成となる「ITER Physics Basis」のうち、ITERにおける高エネルギー粒子の物理をまとめた。ITERの設計においては、高エネルギー$$alpha$$粒子の損失量の評価が重要である。定常的な損失となるリップル損失は低電流負磁気シア放電で問題となるが、フェライト鋼装着によるトロイダル磁場の均一化を行えば許容値以下まで低減できる。$$alpha$$粒子の集団現象によって不安定化されるTAEモード等は、リップル損失より多くの粒子を一時的に損失させる可能性がある。これらの粒子損失に対処するため、第一壁は粒子負荷に対して裕度のある設計をする必要がある。同時に、TAEモード等の抑制の研究、及びリップル損失低減化の研究が今後期待される。

論文

Alfven eigenmode and energetic particle research in JT-60U

木村 晴行; 草間 義紀; 三枝 幹雄*; Kramer, G. J.*; 飛田 健次; 根本 正博; 近藤 貴; 西谷 健夫; O.DaCosta*; 小関 隆久; et al.

Nuclear Fusion, 38(9), p.1303 - 1314, 1998/09

 被引用回数:95 パーセンタイル:5.46(Physics, Fluids & Plasmas)

JT-60Uにおけるアルヴェン固有モード、高速イオンの閉じ込め、高速イオンの計測に関する最近の研究成果を発表する。負磁気シア放電では、輸送障壁に強い密度勾配が伴う場合はTAEモードは安定である。密度勾配がゆるいと、多数のTAEモードが安全係数のピッチ極小点付近に現れ、かつ大きな周波数変化($$Delta$$f~90kHz)が見られる。低q正磁気シア放電ではTAEモードの位置が電流分布の時間発展に伴い、q=1面の外側から内側へと変化する。q=1面の内側に多数の高nモードが存在するときのみMeVイオンの個数が顕著に減少する。負磁気シア放電では、トリトンの燃焼率がかなり劣化する。軌道追跡モンテカルロ計算によれば、トリトンの損失増大の原因はリップル損失である。負磁気シア放電のICRF加熱時の高速イオンの蓄積エネルギーは正磁気シア放電に匹敵する。その他、MeV中性子分析器、$$gamma$$線計測等の開発成果を述べる。

報告書

Benchmarking of the NBI block in ASTRA code versus the OFMC calculations

A.Polevoi*; 白井 浩; 滝塚 知典

JAERI-Data/Code 97-014, 14 Pages, 1997/03

JAERI-Data-Code-97-014.pdf:0.65MB

1.5次元ASTRAコードの中性粒子入射(NBI)部について、中性ビームの吸収、一次軌道解析及び高速イオンの減速を中心に記述する。JT-60Uの実験パラメータを用いて、ASTRAコードとOFMC計算とのベンチマーク検査を行った。このベンチマークの結果から、ASTRAコードのNBI部は十分な正確さで吸収入力パワーと駆動電流を計算できることが判明した。高エネルギー粒子に関するリップル損失と多段階原子過程を考慮することにより、JT-60U実験におけるリップル磁場中の垂直NB入射及び負ビームの接線入射について共に計算可能となった。ASTRAコードは、MHD平衡とプラズマパラメータを無矛盾的に高速計算するので、JT-60U実験の実験解析や輸送シミュレーションに非常に有効である。

論文

Transport and loss of energetic ions in JT-60U

飛田 健次; 西谷 健夫; 原野 英樹*; 谷 啓二; 磯部 光孝*; 藤田 隆明; 草間 義紀; G.A.Wurden*; 白井 浩; 及川 聡洋; et al.

Fusion Energy 1996, Vol.1, p.497 - 505, 1997/00

核融合反応で生成した1MeVトリトンの燃焼率と中性粒子入射イオンの核融合反応を利用して、高エネルギーイオンの輸送と損失を調べた。通常の磁気シアと比べ、負磁気シアの配位では、トリトン燃焼率が低く(粒子損失がないと仮定した計算の10-60%)、高エネルギーイオンの閉じ込め特性が劣ることを実験で示した。軌道追跡モンテカルロコードを使った解析により、粒子損失の原因はリップル統計拡散と衝突リップル拡散であることを明らかにした。これらの結果は、負磁気シアの炉心プラズマを構想する際に、$$alpha$$粒子を含めた高エネルギーイオンの損失に留意しなければならないことを示している。また、ITER相当の上下非対称リップルを持つプラズマにおいて高エネルギーイオンの損失を調べた。実験の結果、この上下非対称性は粒子損失に影響を与えないことがわかった。

論文

Effect of up-down asymmetric toroidal field ripple on fast ion loss in JT-60U

磯部 光孝*; 飛田 健次; 西谷 健夫; 草間 義紀; 笹尾 真実子*

Nuclear Fusion, 37(4), p.437 - 444, 1997/00

 被引用回数:11 パーセンタイル:57.97(Physics, Fluids & Plasmas)

中性粒子入射(NBI)イオン及び核融合生成トリトンの粒子損失に対して、トロイダル磁場のリップル上下非対称性の及ぼす効果を実験により調べた。NBIイオンの損失は短パルス(30ms)NB入射直後の2.5MeV中性子発生率の応答から、トリトンの損失は25MW、2sのNBIで二次反応として生ずる14MeV中性子発生率の応答から評価した。この実験により、リップルの非対称はこれら高速イオンの粒子損失に影響を与えないことを明らかにした。軌道追跡モンテカルロコードを用いて、NB入射イオンに対する実験結果を解析したところ、実験を支持する結果が得られた。

論文

Loss of fast tritons in JT-60U reversed magnetic shear discharges

飛田 健次; 原野 英樹*; 西谷 健夫; 藤田 隆明; 谷 啓二; 及川 聡洋; 白井 浩; 草間 義紀

Nuclear Fusion, 37(11), p.1583 - 1592, 1997/00

 被引用回数:25 パーセンタイル:33.06(Physics, Fluids & Plasmas)

負磁気シア放電では、プラズマ中心領域でのポロイダル磁場が弱いため、高速イオンの閉じ込め性能が悪化する恐れがある。実際に、JT-60Uの実験によって高速イオンの閉じ込めの劣化が明らかになった。負磁気シアにおけるトリトン燃焼率は、粒子損失が無いと仮定した計算の1/2から1/3であった。この結果は、負磁気シア放電では高速トリトンのかなりの割合がプラズマから逃げ出すことを示しており、負磁気シアに基づく定常トカマク炉ではMeV級の高速イオンの閉じ込めに留意する必要があることを示唆する。統計リップル損失及び衝突リップル損失が粒子損失の原因と考えられる。

論文

Ripple losses of fast particles from reversed magnetic shear plasmas

飛田 健次; 濱松 清隆; 原野 英樹*; 西谷 健夫; 谷 啓二; 草間 義紀; 滝塚 知典; S.Putvinski*

Proc. of 24th European Physical Society Conf. on Controlled Fusion and Plasma Physics, 21A, p.717 - 720, 1997/00

負磁気シアプラズマでは通常磁気シアに比べ高速イオンの粒子損失が多いことを明らかにした。粒子損失はトロイダル磁場のリップルとともに増大することから、リップル輸送が粒子損失の原因となっていることが示唆される。軌道追跡モンテカルロコードを用いたシミュレーションの結果は実験結果に一致し、リップル輸送が粒子損失を引き起こしていることを裏づける。このコードを用いてITERの負磁気シア運転におけるアルファ粒子損失を評価した。この結果、アルファ粒子損失は25%程度となり、このときの第一壁への熱負荷は最大3.7MW/m$$^{2}$$に達する。ITERの真空容器に磁性体を装着すると最大熱負荷は1MW/m$$^{2}$$まで下がり、第一壁の熱負荷限界(5MW/m$$^{2}$$)を十分下回ることがわかった。

論文

Fast ion confinement in JT-60U and implications for ITER

飛田 健次; 濱松 清隆; 原野 英樹*; 西谷 健夫; 草間 義紀; 木村 晴行; 滝塚 知典; 藤枝 浩文*; 荘司 昭朗; 仙田 郁夫*; et al.

Proc. of 5th IAEA Technical Committee Meeting on Alpha Particles in Fusion Research, p.45 - 48, 1997/00

JT-60Uの実験結果と計算機シミュレーションの結果に基づいて、ITERの負磁気シア運転における高エネルギー粒子($$alpha$$粒子及び中性粒子入射イオン)の閉じ込めと損失を評価した。JT-60Uにおけるトリトン閉じ込め実験及び荷電交換中性粒子測定の結果は、負磁気シア・プラズマでは高速イオンの粒子損失が通常磁気シアに比べ非常に多いことを示す。このような粒子損失はITERにおいて深刻な問題となりうる。実際、軌道追跡モンテカルロ・コードを用いてITERの負磁気シア運転における$$alpha$$粒子損失を評価したところ、損失パワーは25%、第一壁への熱負荷は0.8MW/m$$^{2}$$に達し、第一壁設計限界(1MW/m$$^{2}$$)に近いことがわかった。ITERの中性粒子入射加熱については、第一壁熱負荷は十分に低いが、パワー損失が20%に達するためリップル損失の低減が必要である。

論文

Triton burnup measurements by neutron activation at JT-60U

M.Hoek*; 西谷 健夫; M.Carlsson*; T.Carlsson*

Nuclear Instruments and Methods in Physics Research A, 368, p.804 - 814, 1996/00

 被引用回数:12 パーセンタイル:26.64

DDプラズマ中で発生する1MeVトリトン(T)はDTプラズマで発生する3.5MeV$$alpha$$粒子と運動パラメータがほぼ同じであるため、Tの挙動から$$alpha$$粒子の挙動を類推することができる。1MeV Tは、プラズマ中で減速し、DT反応を起こして14MeV中性子を放出する。ここでは、DD反応による2.5MeV中性子とトリトン燃焼による14MeV中性子の発生量を放射化箔法で測定した。測定されたトリトン燃焼率(14MeV中性子/2.5MeV中性子)は、プラズマ電流とともに増加し、プラズマの大半径とともに減少しており、トリトンに対するリップル損失を示唆している。

論文

「ITER物理R&D」専門家グループの現状と展望,6; アルファ粒子物理

飛田 健次; 福山 淳*

プラズマ・核融合学会誌, 72(6), p.520 - 524, 1996/00

ITERのアルファ粒子物理に関する最近の進展、及び今後のR&Dについてまとめた。ITERでは、リップル損失とトロイダル・アルフヴェン固有(TAE)モードが重要かつ緊急性の高いR&D項目になっている。リップル損失の物理については理解が進んでおり、実験で検証されている。一方、TAEの理論は発展途上にある。TAEの安定性解析によると、ITERではアルファ粒子によって高n(n≧10)TAEモードが不安定になりそうである。TAE安定性解析の信頼性を向上させるため、解析コードのベンチマーク試験が急務である。

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