北島 純男

本研究ではヘリカル型装置であるLHDに対し、電極バイアス実験を行い、径電場制御を試みる。これによりポロイダルフロー駆動力を実験的に評価し、径電場の形成機構、並びに遷移に対する新古典粘性の役割を明らかにする事を目的とする。閉じ込め改善モードへの遷移に関して径方向の粒子束が重要な役割を果たすとの理論的指摘がなされているが、粒子束を高い精度で計測する事は困難であり、実験的に検証された例は非常に少ない。粒子束を能動的に変化させる有力な手法である電極バイアス実験では、電極に流れた電流から比較的容易にポロイダル回転駆動力を見積もることができる。また、閉じ込め状態の遷移が新古典的な機構によって支配されているのであれば、遷移条件は磁場構造や規格化衝突周波数等によって決定され、装置サイズや閉じ込め方式に依存しないはずである。従って、磁場リップル構造の異なる装置間での比較研究により実験結果と計算結果で整合性が得られれば、閉じ込め状態の遷移に対して新古典イオン粘性が重要な役割を果たす事の証左を得るのみならず、データベースからの外挿によって他のトロイダル装置の遷移閾値の評価も可能となる。さらに、LHDにおいて電極バイアスによって閉じ込め改善モードを達成し、その機構を明らかにする事は、ヘリカル系におけるHモード物理の理解の大きく前進に繋がるものである。

ヘリカル型核融合炉を考えた場合、ヘリカル系の利点の一つは、トカマク型装置に見られるGreenwald密度限界を超えた高密度プラズマが生成できている事である。特に、LHDにおいては、IDB(Internal Diffusion Barrier)が生成されるための条件が見いだされ、高密度／高圧力のプラズマを安定に閉じ込める事に成功している。従って、ヘリカル型核融合炉実現を見据えた場合、IDBプラズマの物理機構解明は急務であると考えられる。 小型ヘリカル装置東北大学ヘリアック装置において、水素吸蔵金属を電極に用いて電極バイアスを行うと、高閉じ込めモード特有の径方向電場形成と、非水素吸蔵金属電極でのバイアス実験では得られない高密度プラズマ生成が同時に達成される事に成功している。従って、粒子注入型電極バイアスによるヘリカル型装置でのIDBプラズマの物理機構解明、密度限界の調査は非常に興味深いと考えられる。本計画では、より長寿命な粒子注入型電極の開発を行い、小型ヘリカル装置東北大学ヘリアック装置において相補的に高密度バイアス実験を行い、最終的にはヘリカル系の大型装置であるLHDでのIDBプラズマの物理機構解明をめざしており、LHD計画共同研究以外の選択肢はない。 本計画では、プラズマへの中性粒子注入と電場形成を電極バイアスにより実現する方法を技術的に確立し、本手法を用いて東北大学ヘリアック装置において高密度プラズマバイアス実験を行い、ヘリカル系装置でのIDBプラズマの物理機構解明ならびにヘリカル系装置の密度限界の調査をする事を目的とする。

LHDにおけるm = 1磁気島による輸送研究は先進的な周辺プラズマの制御法また輸送の物理研究として重要な研究課題である。本共同研究では東北大ヘリアック装置において、外部摂動磁場コイルにより磁気島を形成し、磁気島を積極的にプラズマ閉じ込めの制御ツールとして利用し、閉じ込め改善モード運転時の外部制御ノブとしての可能性に関して評価することを目的とする。

東北大ヘリアック装置での実験において、プラズマ中に挿入した熱陰極による電子注入により径方向電場分岐実験に成功している。ポロイダル回転の駆動力と粘性、摩擦との平衡より粘性を評価すると、理論式と定性的に非常に良く一致した結果が得られた。さらに、磁場フーリエ成分と新古典粘性との関係の調査を続けているが、東北大ヘリアックとは異なる磁場フーリエ成分、衝突周波数領域を持つ装置での実験が必要であり、Heliotron Jプラズマのバイアス実験が必要不可欠である。本共同研究ではLHD共同研究により調査、研究開発されたLHDバイアス実験用電極を利用することを念頭に置き、Heliotron Jプラズマの電極バイアス実験を行い、ステラレータ装置特有のリップル構造によるポロイダル粘性を評価し、新古典輸送理論によるL-H遷移現象の解釈の検証することを目的とする。

東北大ヘリアックでのこれまでの実験において、プラズマ中に挿入した熱陰極による電子注入により径方向電場分岐実験に成功している。ポロイダル駆動力と粘性、摩擦との平衡を理論式と比較すると、定性的に非常に良く一致した結果が得られた。しかし、東北大ヘリアックでは中性ガス密度が高いため摩擦項が大きく、東北大ヘリアックとは異なる低衝突周波数領域、さらに、ヘリカルリップルを積極的に変えられる装置での実験が必要不可欠であり、CHS装置での共同研究が平成１５〜１８年度行われてきた。CHS装置における研究成果を完結するためにはデータ解析を中心にした研究活動が必要不可欠であり、本共同研究ではCHS装置のデータベースおよびデータ処理システムを利用し、ステラレータ装置特有のヘリカルリップルによるポロイダル粘性を評価し、新古典輸送理論によるL-H遷移現象の解釈を検証することを目的とする。特に、本年度は閉じ込め改善モード遷移中に現れる揺動に注目する。

安全で環境に優しい新エネルギー源となる地上の太陽、制御核融合の実現のため、超高温プラズマや炉工学に関する基礎研究を大型ヘリカル装置実験とシミュレーションを中核として、国内外の共同研究として進めている。

東北大ヘリアック装置、及びCHSにおいて、プラズマ中に挿入した熱陰極による電子注入によりプラズマ閉じ込め状態の遷移実験に成功している。駆動力と粘性、摩擦との平衡より、圧力勾配で規格化した粘性を評価すると、両装置において理論式と定性的に非常に良く一致した結果が得られた。さらに、磁場フーリエ成分と新古典粘性との関係の調査を続けているが、閉じ込め改善モードへの遷移機構を明らかにする上で、東北大ヘリアック、CHSとはさらに異なる磁場フーリエ成分、衝突周波数領域を持つ装置での実験が必要であり、LHDの低磁場2.45GHzプラズマのバイアス実験が必要不可欠である。また、装置サイズ、閉じ込め磁場構造の異なる装置において、規格化したパラメータで実験結果を評価し、装置間での比較を行う事は、トロイダル装置におけるプラズマ閉じ込めの普遍的な物理を明らかにする上で非常に重要である。本共同研究ではLHDバイアス実験での要求される条件を調査し、LHD用電極の研究開発をすることを目的とする。最終的にはステラレータ装置特有のヘリカルリップルによるポロイダル粘性を評価し、新古典輸送理論によるL-H遷移現象の解釈の検証へと発展させる。

LHDにおけるm = 1磁気島による輸送研究は先進的な周辺プラズマの制御法また輸送の物理研究として重要な研究課題である。本共同研究では東北大ヘリアック装置において、外部摂動磁場コイルにより磁気島を形成し、磁気島と径方向粒子束との関係、磁気島と径方向電場形成との関係を実験的に評価することを目的とする。

東北大ヘリアックでのこれまでの実験において、プラズマ中に挿入した熱陰極による電子注入により径方向電場分岐実験に成功している。ポロイダル駆動力と粘性、摩擦との平衡を理論式と比較すると、定性的に非常に良く一致した結果が得られた。しかし、東北大ヘリアックでは中性ガス密度が高いため摩擦項が大きく、東北大ヘリアックとは異なる低衝突周波数領域、さらに、ヘリカルリップルを積極的に変えられる装置での実験が必要不可欠であり、CHS装置での共同研究が平成１５〜１８年度行われてきた。CHS装置における研究成果を完結するためにはデータ解析を中心にした研究活動が必要不可欠であり、本共同研究ではCHS装置のデータベースおよびデータ処理システムを利用し、ステラレータ装置特有のヘリカルリップルによるポロイダル粘性を評価し、新古典輸送理論によるL-H遷移現象の解釈を検証することを目的とする。