SIV-2
LHD重水素実験による閉じ込め研究の進展と計測計画	 
Development of confinement study and diagnostics for the deuterium
experiment in LHD	 
居田克巳
Katsumi Ida
自然科学研究機構 核融合科学研究所
National Institute for Fusion Scienceqχeff [m2/s]

閉じ込め研究の進展	  核融合トロイダルプラズマ研究において閉じ込め改善の物理機構は最重要課題であるにも関わらず、いまだに未解決の課題が多い。例
H. Urano et al
えば、プラズマ周辺部の境界条件がコアの閉じ(e) 10
4込めに大きな影響を与えている事は多くの実hydrogen8験で明らかになっているが、その物理機構は解3明されていない。真空容器壁のコンディショニ
62ングを行い、真空容器壁を低リサイクリングに
4deuterium
すると、周辺部の閉じ込め改善が得られるだけ
1ではなく、コアの閉じ込め改善も観測される事
2はよく知られている。
00	  これらの実験事実は周辺とコアの輸送のカ0.20.801r/ar/a
ップリングが重要である事を示唆している。一4(f) 5deuterium
方、水素と重水素はその質量が異なるが故にプ4hydrogen3
ラズマへの侵入速度も異なる。その為、同位体効果はバルクプラズマの質量が変化する事に32加えて、周辺の中性子の侵入長、ひいてはプラ2ズマ周辺部の境界条件をも変化させている点
11が重要であると考えられるようになった。	  実際、水素と重水素でHモードにおける周辺
000.2
0.801のペデスタルの幅、ひいてはペデスタルの高さr/ar/aが変わる事が観測されている。（図１）rogen and deuterium H-mode plasmas operated at the same WTOT of 1.0 MJ. This pair	  従って同位体効果は、水素と重水素の侵入のure 4.
違い、周辺密度変化の違い、周辺とコアの輸送

Teped [keV]2deuterium
1peped =3.0 kPahydrogen

peped =1.5 kPa

1MA, 2T
Pabs= 8-9MW

T010e power= 3.7).
nd deuterium
dicate a pair ofnd 5.

in these twoe 2. The ELM
mes 165Hz atrium becomes01
neped [1019m-3]2

図１	 Figure 7.ペデスタル温度の密度依存性[1]The pedestal n–T diagram for the cases of hydrogen anddeuterium plasmas performed at Ip = 1 MA, BT = 2 T andPabs = 8–9 MW in JT-60U. Triangles and circles indicate the datafor hydrogen and deuterium plasmas, respectively. Broken curvesindicate a constant electron pressure of 1.5 and 3.0 kPa.

Figure 7 compares the edge pedestal characteristics ofhydrogen and deuterium plasmas in the space of the pedestal
pedpedelectron density ne and the pedestal electron temperature Te
under the condition with a certain range of P = 8–9 MWのカップリング等を包括的に研究する事が重要であると認識させつつある。このような研究の進展をふまえて、水素と重水素の比の空間分布を正確に計測し、短波長、長波長の乱流の空間分布との関連を調べる計測計画が必要である。
荷電交換分光による水素と重水素の比の測定	  水素の中心波長は656.28nmと重水素の中心波長は656.10nmである。プラズマ周辺部は温度が低いので、観測されたスペクトルを２本のラインでフィットすることで、水素のHα線と重水素のDα線の分離が可能である。その２本のラインの高さの比から、水素と重水素の密度比を求める事ができる。しかしながら、Hα線、Dα線はほとんどがプラズマ周辺から発光する為に、コアの密度比が測定できない。従って、コア部の水素と重水素の密度比を求める為には、バルクプラズマと中性粒子ビームとの荷電交換反応を利用したバルクプラズマ荷電交換分光を用いなければならない。	  ところが、温度が高いプラズマのコア部においては、ドップラー効果による輝線幅は中心波長の差0.18nmよりはるかに大きいので、水素と重水素が混合プラズマでは、Hα線、Dα線は２本の輝線ではなく１本の輝線として観測される。よってコア部においてはHα線、Dα線のラインの分離は事実上不可能となる。	 	  そこで考えられたのが、ドップラー効果がゼロとなる視線（半径方向）で精度よく中心波長を計測し、その中心波長から、水素と重水素の比を求める手法である。LHDにおいて予想されるスペクトルを図２に示す。水素が100%の場合には観測される中心波長が656.28nm、重水素が100% の 場 合 に は 観 測 さ れ る 中 心 波 長 が656.10nmとなる。一方、水素が50%、重水素が50%の場合には中心波長が656.19nmとなる事が予想される。図２で示されるように、この波長

αH /Dαmodes exist in almost the same area [15], it is natural to
the standard deviations of observed frequencies.
find the agreement between the MHD and GAM
Matching the observed frequencies to theoretical values,spectroscopy.
the effective mass is estimated about 1.9 at t=1.7s.
Figure 2 shows that the GAM oscillation is
Rectangular boxes indicate the error bar in estimating masscontinuously observed during the period of 1.65-1.81 sec.
ratio.
This allows us to measure the temporal behavior of themass ratio
in a time scale much longer than the energy
シフトはドップラー幅に比べてはるかに小さconfinement time. The effective ion mass is estimated, bytrackingい値であるが、中心波長の測定精度は、そのス
the peak frequency of GAM oscillations.
ペクトルの統計精度で決まり、光量が十分ある
Microwave
reflectometer, magnetic probe, etc. have hightemporal場合には、0.01nm（波長シフトの5%程度）の精
resolution, and the time resolution of the peakdetection度で求める事ができるので、波長シフトから水is around 4 ms. The discrimination of the peakfrequency
is performed by using the weighted function 	 
素・重水素比の計測が十分可能と考えられる。
technique [24]1.2 with the digital band pass filter where
passing frequency ranges
17 to 22 kHz. The “peak”
H 50%from
D 50%
GAM frequency observed in the similar plasma
Hexperiment 1.0
is plottedD in Fig. 4.
The electron
ααtemperature is measured with an ECE radiometer [25].
The ion temperature
is determined by the Doppler
0.8
broadening of Ar emission light measured by the crystal
spectroscopy [23]. By using these measured electron and0.6 and peak frequency of GAM, theion temperatures
effective ion mass number is evaluated by use of Eq. (2),as is shown 0.4
in Fig. 4. In this analysis, the temporal
resolution of the mass ratio is 20 ms, which is limited by
the time resolution of ion temperature measurement. To
0.2
the best of authors’ knowledge,
continuousHmeasurement
D 100%
100%of Aeff with high time resolution is the first example in0.0 research and fusion science.
the plasma physics
behaviors
GAM
frequency
図4:３Temporal	  LHD にお い てof観“peak”
測された GAM
振 動f数peak654655
656
657658 Fig.
Although the line averaged electron density andand(fpeakestimatedmass ratio
A(a),andthoseforionandeff)、電子温度(T)、イオン温度(T)、水素の輝eiλ(nm)temperature are almost steady, theion temperature Ti
electrontemperature (b), and line-averaged
electron線（Hα）、体積平均密度(<ne>)と、質量比(Aeff)changes図２	 with a水素の重水素混合プラズマで予想されtime scale of 100 ms. Simultaneousdensity and HD line (c). Simultaneous change occurs Aeff
oscillationsof ion mass and ion temperature are newly
in の時間変化[2]Ti, while electron temperature and density are almost
る、Hα線、Dα線スペクトル
constant.
discovered as is illustrated in Fig.4. The reason why the
反射計の利点は、質量比と乱流の計測が同時に反射計による水素と重水素の比の測定できる事である。質量比が変化した時に、乱流	  トロイダルプラズマにおいては、磁力線がもがどのように変化するかは重要な研究課題でつ曲率（測地線曲率）の為にプラズマ中に振動ある。また最近の乱流研究において、長波長乱する回転が生じる。この振動はgeodesic acoustic
流の閉じ込めへの役割が認識されるようになmodes (GAM)振動と呼ばれ、その振動数はイオ3った。長波長乱流は、それ自体大きな輸送を引ンの熱速度（複数のイオン種のプラズマの場合き起こさないが、輸送を決定している短波長乱は、平均的なイオン熱速度）、電子温度とイオ流とエネルギーを受け渡すという相互作用をン温度の比、回転変換角度（安全係数q）で決持っている。この相互作用を通じて、プラズマまる。従って、電子温度とイオン温度の比、回の異なる位置（例えばコアと周辺）の乱流の大転変換角度が既知の場合には、振動数から平均きさを変化させることができ、いわゆる非局所的なイオン熱速度、ひいては実効的な質量比が輸送現象を引き起こす。
わかる。水素と重水素では質量数が２倍異なる	  LHDの重水素実験は、ヘリカルシステムにおので、実効的な質量比から、水素と重水素の比いてトカマクと同様な同位体効果が観測されを求める事ができる。
るかどうかが重要な課題であるのは間違いな	  図３はLHDにおいて、反射計で計測したGAMい。しかしながら、さらに重要なのは、同位体振動数とそれから求めた質量比の時間変化で効果の物理的メカニズムを調べる事である。とある。本実験では、バルクプラズマは水素（質りわけ、非局所輸送研究で先導的立場にある量数1）であるが、炭素（質量数12）をはじめLHDでそれを明らかにする事が期待されていとする不純物がある為に、実効的質量数が２付る。
近の値となっている。この実験は、GAM振動数
参考文献
から実効的質量数を求められる事を初めて実[1] H.Urano, Nucl. et. al. Fusion 52 (2012) 114021.
証したもので、重水素実験における水素・重水[2] T.Tokuzawa, et. al., submitted to Phys. Rev.
比の計測にも成果が期待できる。
Lett.