平成24年度合同研究会
筑波大学自然系学系棟B119 平成24年７月23−24日	

プラズマ研究センターのダイバータ模擬実験の現状
プラズマ研究センター

中嶋洋輔，

ガンマ10グループ

CONTENTS
1. はじめに2. ガンマ10端部における高熱流プラズマ束生成実験
3. ダイバータ模擬実験モジュール用いた最近の実験結果
4. まとめ

新研究計画の概要
既存装置タンデムミラー “GAMMA 10”!

ミラー閉じ込めの原理
Field strength	 Magnetic coil	

Magnetic !
Field line	新ダイバータコイルを導入した	新装置による新しい研究の発展
A(X)-­‐Divertor	  End region E-­‐Divertor	  Plasma	

電位形成による閉じ込め改善研究�

High power
heatingsystems(RF, NBI) !
プラズマ制御の!
キーツール�

�開放端磁場配位��
電位 & 電場�

Anchor region

Target plate

Microwave
source for
ECH!

これまでの研究の展開を図る為に以下の２つのプロジェクトを開始	

(1) 電位形成によるプラズマ閉じ込め改善研究のコアプラズマから境界プラズマへの拡張�

(2) 既存のタンデムミラー装置（GAMMA 10）に新しいダイバータシステム (A(X)-Div.，E-Div.) を導入し，ダイバータ模擬研究に基づく境界プラズマ研究を進める。

環状プラズマ研究への貢献
PRC Sympo 2012, Y. Nakashima	開放端磁場を活かした新研究(E-Div.)
ダイバータ配位を持つ新しい磁場の設計例	

端部ダイバータ模擬実験の概略図

E-Divertor
A-Divertor• 既設の大出力ジャイロトロンによる強力な電子加熱，及び大電力イオン加熱装置（ICRF，NBI）を用いた高エネルギーのプラズマ生成が可能で，他の小型ダイバータ模擬実験装置に比べて大口径・高熱流束が期待できる。
• 大容量クライオ排気装置を用いたダイバータ排気実験が可能。
• パルス運転を利用したELMを模擬した研究など実機プラズマのダイバータに近い環境(強磁場，高イオン・電子温度，端部放電電極等の影響の無い条件下)での，ダイバータプラズマ制御実験を世界で初めて実施する。
PRC Sympo 2012, Y. Nakashima	

E-Divertorのパラメータと物理目標
Ion Energy vs Ion Flux Density	•

タンデムミラー端部で生成されるイオンのエネルギーは，トカマ
クのSOLプラズマに匹敵する程度に高い。	

•エンド部において，ガス導入，リサイクリング促進を図ることにより，放射冷却についての機構を解明し，非接触プラズマ実現へ向けての知見を得る。	

Tsukuba U.!	

SOL Plasma	 E-Div.!

最終的に，環状系プラズマにおける非接触プラズマの定常維持達成に貢献する。
PRC Sympo 2012, Y. Nakashima	ダイバータ模擬実験を目指したE-Div. 実験
双方向型共同研究に基づいて、タンデムミラー端部を用いた高熱流束生成の為の基礎	実験が開始された。�

西エンド部真空容器と実験装置の配置	
GAMMA 10 End Tank!

Observation area by high-speed camera!
GAMMA 10 !
plug/barrier-cell!

GAMMA 10 end-mirror !
vacuum vessel!

端損失イオンエネルギー分析器
アレイによる軸方向イオン温度の評価
He, Ne, Ar ガス入射による不純物輸送実験及び放射冷却，非接触プラズマ実現に向けた基礎実験

NBI	

Rotatable Target Assembly!

ECH	

Movable calorimeter / Directional probe!
0!

100!

200!

zEXIT (cm)!

300!

高速カメラによるプラズマとターゲット材料との相互作用の計測
カロリーメータ／方向性プ
ローブによる端損失粒子の粒子束密度・熱流密度の計測

ガンマ10によるダイバータ模擬研究への見通しの確立と共に，計測技術、照射技術に関するノウハウを蓄積する。	
PRC Sympo 2012, Y. Nakashima	ICRFによる高熱流束生成実験結果
典型的なホットイオンモードプラズマ (ne(0) ~ 2×1018 m-3, Ti(0) ~ 5 keV), において端部ミラー出口及びエンドプレート上で熱流束・粒子束密度，及びイオンエネルギーの直接計測が行われた。	
RF only 190 ms Z = 30 cm
Z = 300 cm!
Exit

1.2

Γ (x = 2 cm)i

1.00.8

Γ (x = -3 cm)i

0.6

0.60.40.40.20.2060080 100 120 140 160 180 200

RF2 Power (kW)400i//

PHeat ( MW / m2 )(x = -5 cm)

23

0.8Heat(x = 0 cm)

Γi (×10 particles/s•m2 )

1P

Heat

Exit

500

T (eV)

P

1.2

from Probe & CMfrom ELIEA

300
200
100
0050

100

150200RF2 power (kW)• ICRF加熱時，熱流束密度 0.8 MW/m2 粒子束密度 4×1022 H/s•m2 が中心軸上で得られ，熱流束はRFパワーの増加と共に増加することが分かった。	

• 端部ミラー出口近傍（ZEXIT = 30 cm）で測定した軸方向（磁力線方向に沿った）イオン温度 Ti// とエンドプレート近傍（ZEXIT = 300 cm）で測定した Ti// は，
ICRFパワーと共に増加し、お互いに良い一致を示した。 	

PRC Sympo 2012, Y. Nakashima	ICRFによる高熱流束生成実験結果

42RF3050100

150200250

IELIEAW-ch1Ti//eff

600

4 10-4400

2 10-4200

050100150

Time (ms)2000250

42RF3050100

150Time (ms)200

1.2 10-3
1 10-3
8 10-4250

71200
IELIEAW-ch1

1000

Ti//eff

800

6 10-4600

4 10-4400

2 10-4200050RF3100150

Time (ms)2000250T//eff6 10-4800

Ion Cuurent Density (A/cm2)

8 10-4

1000

T//eff

Ion Cuurent Density (A/cm2)

Time (ms)
1 10-3

6particles/m s)

6NLWA

22NLEA

NLCC

8アンカー部へのICRF加熱により，同部並びにセントラル部における顕著な密度増加を観測し，同時に端部粒子束密度の増加が認められた。→隣接セルへの追加熱効果	

i

NLCC

8RF3 (West)	
#22305410Γ (x10RF3 (East)	
#222995

10Line Density (1013 cm-2)

Line Density (1013 cm-2)

粒子束密度の更なる増加を目指して極小磁場アンカー部にICRF（RF3)による追加熱実験を行った。	

r6Prbz= 0 cm

EXIT= 30 cm

5432

with additional RF3
RF1, 2 + GP3,4 up
increased RF1 power

1022.533.5NLCC

44.513(x 105-25.56cm )PRC Sympo2012, Y. Nakashima	

ITERリリバントな熱流束の発生
ピーク熱流束密度のECHパワー依存性	 • ICRF生成プラズマ（neCC = 2 ~ 3 ×Z

EXIT

14P~2010

P2012

Heat

126P

Heat2(MW/m )10net

Heat= 30 cmr

CM= 0 cm

ITERダイバータ
熱流束	

8• 380 kWのECH重畳により，ITERにおけるダイバータ板上の熱流密度に匹敵する値（ ≥ 10 MW/m2 ）を達成した。	

4201018 m-3，Ti// ~ 5 keV）において，短パルス（5 ~ 25 ms）のECHを印加することにより，端部ミラー出口近傍（コイルの下流30cm）で，端損失プラズマ流の熱流束の計測を行った。	

0100

200300pECH Power (kW)PRC Sympo 2012, Y. Nakashima	

400• 現有の出力でITERリリバントな熱流 密 度 レ ベ ル に 達 し た こ と か ら，
今後の端部プラズマ加熱系の増強に よ り ， 更 な る 高 熱 流 束 の 発 生，
長パルス化の見通しが得られた。

高速カメラを用いたPWIによる可視発光の2次元イメージ計測と初期分光計測
端部ミラー出口に設置したV字ターゲット !

Ar gas	

可視光の２次元イメージ

Arガス噴射口	タングステン
V字ターゲット	Plasma	Viewing area ofthe spectrometer	

分光スペクトル• ターゲット前面にアルゴンガスを照射し，ターゲット内の分光スペクトルを初めて測定した。

0300

400

500

600

700

ArI (811.53nm)

ArI (763.51nm)

ArI (750.38nm)

Hα (656.27nm)

500ArII (487.98nm)

1000

FeI (427.17nm)

FeI (355.28nm)

Intensity (arb. U.)• タングステン製V字ターゲットを新たに端部ミラー出口に設置して，プラズマとの相互作用光を高速カメラでとらえた。	

1500

800

Wavelength[nm]
PRC Sympo 2012, Y. Nakashima	ダイバータ模擬実験装置(D-module)の設置	
昨年度末ガンマ10西エンド部にダイバータ模擬実験装置(D-module)が設置された。	
ガンマ10西エンド部真空容器	 

• 閉ダイバータ化に伴う中性粒子圧縮とリサイ
クリング促進，排気• ダイバータ内ガス導入による放射冷却機構の研究• ダイバータ角度変更機
能による磁力線との角度依存性の研究	
プラズマ流束入射口φ200	
PRC Sympo 2012, Y. Nakashima	

ダイバータ模擬実験	モジュール(D-module)	 

昇降システム	 
タングステンターゲットの角度は，15°〜80°で可変	
放射冷却用ガス入射口（Ｈｅ，Ne，Ar）

ダイバータ模擬実験モジュール(D-module)＜モジュールの諸元＞• D-module：W500mm×H480mm×L700mｍ
前面プラズマ導入口径 200mmφ
後部排気口150mm×340mm（開口部扉式可変）側面プラズマ観測窓（W700mm×H200mm）• V字ターゲット：タングステン製，300mm×350mm×0.2ｔ
ラングミュアプローブ （上面）
13個
カロリーメータ（下面）13個
角度調節機構15° 〜 80°（ ±7.5° 〜 ±40°）
真空度測定用高速イオンゲージ
1台
ガス導入系 放射冷却実験用
2個
ヘリウム分光計測用
3個•昇降装置：ベローズ式モーター駆動，ストローク： 850mm，速度： 4mm/秒	

PRC Sympo 2012, Y. Nakashima	ダイバータ模擬実験モジュール(D-module)	
ラングミュアプローブ（上面）	
He beam probe用
ガス供給	

放射冷却用
ガス供給	

背面排気口

カロリーメータ（下面）	

PRC Sympo 2012, Y. Nakashima	

V字ターゲットD-moduleを用いた最近の実験結果• 高速カメラによる可視光２次元イメージ計測 「木暮，細井，中嶋，他」	
Shot No.: #223324
Camera:Phantom v710
Image size:
640×480 pixels
Shutter: Open
Frame rate:
10,000 fps
Filter:Without	D-moduleを用いた最近の実験結果	
• 高速カメラ計測（開口角度α依存性） 「木暮，細井，太田，中嶋，他」	
α = 30°	

α = 45°	

60600050

100

150200250

 300

402030100050100

150200250

 300

22358950

  1050

 


20306022359440



2235935040

α = 60°	

2030
100050100

150200250300

 

開口部角度が狭くなるにつれて先端部分の発光強度が増加し、ターゲットの奥に入ってゆくにつれて減少する傾向が見える。	

D-moduleを用いた最近の実験結果	
• 静電プローブ計測（開口角度依存性）「大木，赤羽，坂本，他」	

He非入射時のショット	
He入射時のショット	
30°	

45°	

60°	

角度が大きい程：Te, Iis (ne?) が上昇する傾向↓
高速カメラ計測との相関あり？
↓位置に対する依存があるか？	

D-moduleを用いた最近の実験結果	
• 高速カメラ計測（希ガス入射実験）「木暮，細井，太田，他」

Ar 500mbar, t = 4.5 sec ~ 5.4 sec）	
Shot No.: #223608
Camera: GX-1 plus
Shutter:Open
Frame rate:
10,000 fps
Image size:
320×240 pixels
Filter:WithoutD-moduleを用いた最近の実験結果	
• カロリーメータによる熱流計測「武田，岩元，中嶋，他」 	

（希ガス入射による放射冷却の基礎実験） 	
カロリーメータ設置位置

プラズマ流	

1ΔT (degree Celsius)

543218開口角度45°	Plenum pressure: 250 mbar

6423571210891113

西北10ArNew/o Gas

Ar (250 mbar)
Ar (500 mbar)

ΔT (degree Celsius)

627

東 113

南864
2

ガス導入に伴うV字ターゲットの入口部での増加と深部での低下傾向が00
127813712813
   
認められた。	    

D-moduleを用いた最近の実験結果	
• ガス導入実験における分光計測「細井，中嶋，細田，他」

ダイバータモジュール(without Gas)	

V字ターゲット簡易BOX付き	

ダイバータモジュール(with Gas)	

分光器の視野	
44 10

43 1042 104

1 104#223397 [200-220ms]

5 1044 1043 10

42 104

1 104#223404 [200-220ms] Ar

0300

400

500

600

700

Wavelength[nm]

800

0300

400500600

700

Wavelength[nm]8000300

Intensity [Arb.U]

Ar I
Ar I

500

Intensity [Arb.U]

Hα

1000

Ar I

1500

Ar II

Intensity[Arb.U.]

2000



5 10

α

Ar:300mbar 40ms-90ms

α

2500

400

500

600

700

Wavelength[nm]ダイバータ領域のクローズド化により発光強度の顕著な増加が認められた。

800

ダイバータ研究の今後のスケジュール	��������������研究項目

GAMMA10 end-mirror vacuum vessel!
Large-capacity
Helium cryopump
system (Existing)	

Movable calorimeter !
and directional probe!
(FY2008~)	

(FY2012~)!

ダイバータ模擬実験モジュール (D-module)を用いたガス入射による放射冷却，デタッチメントの基礎実験•

試料導入装置の設置とD-モジュールへの試料導入，高熱流束の照射及び表面分析の試行•

大容量ヘリウムクライオ排気装置を用いたダイバータ排気の模擬実験とダイバータ板の高温化実験	

Gas injection!
system (FY2010~)!
NBI heating !
system (Existing)!

Z	RF heating !
system!

•Divertor simulation!
exp-module!
(FY2011~)!
•高周波発振器の増強及びア
Introduce system! Rotatable!
東北大金属材料研究所との連携協力にンテナ増設による高熱流束のECH!
of sample species! target!
基づいてS
強化�system!
iC試料への端部プラズマ流(FY2010~)!
assembly(Existing)!の初期照射実験が開始された。	

PRC Sympo 2012, Y. Nakashima	

(FY2010~)!

今年度ダイバータ模擬研究計画
試料照射ﾓｼﾞｭｰﾙﾞ	• 周辺揺動観測広島大	

高速ｶﾒﾗ	

ﾋﾞｰﾑﾌﾟﾛｰﾌﾞ	

• ﾌﾟﾗｽﾞﾏ照射/ 表面分析
東北大	
回転ﾀｰｹﾞｯﾄ / ｶﾞｽ入射	SMBI• 粒子補給• 多次元計測開発	 	 	 	 	 京都大	

• ﾘｻｲｸﾘﾝｸﾞ制御
連 • 高熱流粒子束制御
携	 • ﾀﾞｲﾊﾞｰﾀ候補材とﾌﾟﾗｽﾞﾏとの	 	 	 	 	 核融合研	

相互作用 / 不純物輸送• 非接触ﾌﾟﾗｽﾞﾏ実現• 材料へのﾌﾟﾗｽﾞﾏ照射• ｺｱ - ｴｯｼﾞｶｯﾌﾟﾘﾝｸﾞ
PRC, 筑波大	

ﾙｰﾌ標的ﾓｼﾞｭｰﾙ	

表面ﾌﾟﾛｰﾌﾞ	• 表面分析
九州大	
• ｼﾐｭﾚｰｼｮﾝ解析
慶應大	
PRC Sympo 2012, Y. Nakashima	• 損耗/再堆積
大阪大	
熱流計	

• 非接触ﾌﾟﾗｽﾞﾏ物理• 熱流解析
• 新熱流計開発

名古屋大	

大阪府立大	

ま と め	 
本研究では，境界プラズマにおける粒子輸送制御研究を，新たな研究課題に掲
げ，既設ミラー端部に発生する高熱流粒子束を利用したダイバータ模擬実験研究（E-Divertor）についてガンマ10西エンドミラー部にて実験的検証を行ってきた。


典型的なプラズマ（セントラル部プラズマ密度 2~3×1018 m-3，イオン温度 ~5keV）において，端部ミラー出口近傍で端損失プラズマ流の粒子束密度，熱流束密度の計測を行い，粒子束密度 4×1022 H/s•m2 が得られた。また，ECH印加中にはITERにおけるダイバータ板の熱流密度に匹敵する値（ ≥ 10 MW/m2 ）を達成し，ダイバータ模擬研究の為に必要な熱流密度を発生できる見通しが得られた。
極小磁場アンカー部におけるICRF追加熱により粒子束密度が 6.5×1022 H/s•m2 まで増加し，端部熱流・粒子束の増強に，隣接するセルにおける追加熱が効果的であることを示した。
端部真空容器内にV字ターゲット板を設置し，Arガスを入射することによりプラズマ-ガス-ターゲット材表面との相互作用発光を，高速カメラ計測及び分光計測を初めて行った。
PRC Sympo 2012, Y. Nakashima	ま と め（続き）	
昨年度末に，ガンマ10西エンド部への設置が完了したダイバータ模擬実験モジュール（D-module）を用いて閉ダイバータ化模擬実験が開始され，高速カメラ，カロリーメータ，静電プローブ，分光器を用いた初期計測が行われた。
以前のターゲット照射実験に比べて，プラズマ-壁相互作用による発光強度が顕著に増加し，クローズド化によるリサイクリングの増加が認められた。

モジュール内に設置したV字型タングステンターゲットの開口角度を狭めるにつれて，プラズマ発光強度が増加していることが分かり，中性ガスの圧縮効果を示唆する結果が得られた。

ターゲット板の深部近傍のラングミュアープローブによるイオン飽和電流及び電子温度も開口角度が狭まるにつれて下がる傾向を示している。



希ガスを用いた端損失プラズマ流の放射冷却実験が行われ、カロリーメータによる熱流計測の結果，ガス入射に伴うターゲット入口部での増加と深部での熱流束の低下傾向が認められた。



これらの結果は、当初目標としてきた放射冷却ダイバータの機構と定性的に矛盾しないものである。今後，双方向型共同研究の元で様々な共同研究を実施しつつ，更なる高熱流束の達成と非接触プラズマ状態の実現等，環状系閉じ込め装置のダイバータ実現に向けての研究を進めてゆく。
PRC Sympo 2012, Y. Nakashima