QUESTにおけるトロイダル方向に分割されたダイバータ板によるダイバータバイアス実験

核融合研 名誉教授
東井和夫
研究協力者
恩地拓巳、黒田賢剛、小島信一郎、図子秀樹、長谷川真
池添竜也、出射浩、花田和明、QUEST実験グループ1

はじめに(1) ITERでの定常熱負荷制御=>非接触ダイバータにより𝑷𝑷𝒅𝒅𝒅𝒅𝒅𝒅⊥ ≲ 10 MW/m2(課題）高閉じ込め(閉じ込め改善度H98y ≥1 )と非接触ダイバータの両立と定常維持

非接触ダイバータ運転条件下での高性能Hモードの,準定常維持は極めて困難
非接触ダイバータ運転＝＞Hモード性能の劣化（方策）中程度密度(~ 0.5x1020 m-3)の部分的非接触ダイバータでのλqの能動的拡張“高いHモード性能と高いプラズマ電流駆動効率”が期待される

In AUG, H98y～1 is sustained for~ 2 s and gradually degradeddown to ~0.9 in the latter half.
Long time sustainment of H98yis very challenging underdetached divertor condition.
A. Kallenbach et al., NF 2015

In JET, detached divertor in Hmode with H98y~0.8-0.9,
ne/neGW~0.8 was maintainedfor ~ 5 s.
A.R Field et al., PPCF 20172

はじめに（２） ITERでの過渡的熱負荷制御
ELM (edge localized modes) 等による過渡的熱負荷許容値：𝑷𝑷𝒅𝒅𝒅𝒅𝒅𝒅⊥ ≲ 20 MW/m2=> ELM抑制 => 3D磁場(RMPsなど) 制御は進展( DIII-D, JET, AUG, LHD…)

ELM自身によるSOL電流生成=> RMP生成とダイバータ熱負荷分布に影響
T. Eich et al., PRL 2003, H. Takahashi et al., PRL 2008, A. Kirk et al., PRL 2006, J.W. Ahn et al., NF 2014.

（課題）ITER以後=> 容器内設置RMPコイルによらない3D摂動磁場生成
ヘリカル構造のELMフィラメントにより生成されるRMPがELMによる過渡的熱負荷分布を変える。
A. Kirk et al., PRL 2006

能動的SOL電流によるRMP生成の可能性を示唆。

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本双方向研究の目的
トロイダル方向に分割したダイバータ板による電気的バイアス方による定常及び過渡的ダイバータ熱流束制御の可能性検証(目的1)乱流輸送の増大や ExB ドリフトの増大によるSOLプラズマの径方向輸送の増大=> 熱流束減衰長 𝝀𝝀𝒒𝒒 の増大

駆動乱流の候補 (collisional drift waves, current convective mode,
resistive interchange mode, K-H instabilities …)

関連理論：Toroidally asymmetric divertor biasingによるE×B flux増大
R.H. Cohen & D.D. Ryutov, PPCF 1997

ダイバータ熱流束分布の径方向の拡張への効果の確認(目的2)位相制御したSOL 電流駆動によるRMP生成とELM制御への応用可能性＝＞ELM制御：qSOL ~ q95なので本質的にRMPとなる関連理論：toroidally segmented divertor biasingによるSOL電流誘起
I. Joseph et al., PoP 2009, K. Toi, PSI conf. 2016

SOL 電流によるRMP生成の確認と振幅（bmn/Bt）の評価

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ダイバータバイアス装置
上側平板ダイバータ板上：４か所 (90°毎)
Moリミターより2 mm後退
バイアス電圧：真空容器に対し± 80 V,sawtooth波形, 0.1kHz ~ 20 kHz
バイアス板間の位相：0-F-0-F (F: off)等
n=0, 1, 2 等の磁場 & 電位摂動
TSU308バイアス板：4分割,接続磁束管からの漏れ電流計測

CHI Bias
electrodeTSU302

SADBETSU304

TSU308CNW

TSU3065(I) D型内側リミター配位での実験
t=2.7s#38395128α28GHz-80-1000-120-42

2.53CHI bias electrode(grounded full ring)（バイアスに応答してトーラスをqSOL回周回しSOL磁力線に沿って流入/流出する電流＝SOL電流: ＩSOL=ILDP）

loop

4

10V-608.2GHz-40p

I (kA)-20(V), H (a.u.)38395_ipt=2.8s0t=2.4s

Ip(kA)

10Vloop(V)(=(flc11+flc14)/2)
Halpha(a.u.)
RF_28GHz

3.5time(s)Bt=0.5 T (28GHz 2 ωce) @ R=0.32m
Bt=0.293T(8.2 GHz ωce) @ R=0.55m
Ip= - 42 kA @ t=2.4 s
Ip= - 81 kA @ t=2.8 s

Biasing plate(4 segments)（正/負バイアス電圧印加で駆動される電流=バイアス駆動電流: Ibias=∑𝒊𝒊 𝑰𝑰𝒊𝒊 ）t=2.8 sIp=-81 kA

MHD平衡の予測：
MHD平衡,
可視光TV画像から推定

Divertor biasing: from t=0 s to t=4 s
Bt: CW (toroidal drift: downward)
Ip: CW6

バイアス駆動電流とSOL電流波形#38395 1kHz sawtooth,|V|=88 V.
TSU302-306: in-phase
低バイアス電圧(|Vapp|～20 V)で飽和＝＞バイアス板前面はかなり低温
Te ~ 5 - 10 eV
ISOL/Ibias=ILDP/(I302+I306) ~ 50-70%
ISOLのrise time ~ 0.2 ms
正バイアス時：Ibiasの揺動大負バイアス時：Ibiasの揺動小正・負バイアスでISOLの差異はない
Note:

I302, I306 >: flow-out
ILDP >0 : flow-in

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バイアス板のV-I特性とSOL電流駆動率#38395
1 kHz TSU302-306 in-phase
t=2.87-2.92s , Ip ~ 81 kA

SOL電流駆動効率: ISOL/Ibias ~ 60% ( qSOL ~3 - 5 )SOL電流駆動効率：正/負バイアスに依存せずバイアス駆動電流の漏洩：Ibiasの~40 % がSOL
磁力線に対しR,トロイダル及びポロイダル方向に8漏洩し真空容器へ

(II) 疑似ダブルヌルダイバータ配位#40777

Bt: CCW (toroidal drift: upward)
Ip: CW
Ip=60 kA

バイアス板

Bt=0.5 T (28GHz 2 ωce) @ R=0.32m
Bt=0.293T(8.2 GHz ωce) @ R=0.55m
Ip~ 60 kA @ t=3.0 s

Divertor biasing: from t=1.5s to 4.5 s

CHI バイアス電極

91kHz バイアス時のSOL電流駆動効率#40789
1.0 kHz
2 plates:
in-phase

 SOL電流駆動率～30%(やや低い： 磁場配位、SOLプラズマパラメータとその揺動レベルに依存）
 正バイアス時と負バイアス時でほぼ同じSOL電流駆動率

100.1kHzバイアスバイアス時のSOL電流駆動効率(1)#40787
0.1kHz
2 plates:
in-phase

 SOL電流駆動率は正負バイアスに依存せず
 バイアス電圧印加中のバイアス駆動電流低下
バイアス板前面のプラズマの排除？
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0.1 kHzバイアス時のSOL電流駆動効率(2) ：高<ne>プラズマ#40795
0.1 kHzWithlate gas puff
(high <ne>) H2ガスパフ：
駆動電流が1Aに達する（バイアス板前面の電子密度の倍増）
 低周波電圧印加
中のバイアス駆動電流の顕著な低下
12バイアス板に接続した磁束管からの漏れ電流
4分割バイアス板を使用した接続磁力管からのバイアス駆動電流の漏れ
TSU308Aのバイアス電圧印加（2kHz,|V|=88 V) し隣接する分割バイアス板（TSU308B, TSU308C)への流入電流測定
I308B: トロイダル方向の漏洩電流
I308C: R方向の漏洩電流

3-plates biasing:
ISOL/Ibias~50%

Ip(CW)
Bt(CCW)

I308B(tor. dir.): I308C(R-dir.) = 1 : (2～3）
I308B, I308C＝＞アース電位の真空容器へ損失。
下側ダイバータ板の流入/流失
電流への寄与は十分小さいだろう。
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SOL電流駆動効率のIp依存性#40777
2.0 kHz
3-plates:
in-phase

SOL電流駆動効率: Ip < 20 KAで ISOL/Ibias が小さく（< 20％）なるがIp >30kAでは明確な差異なし。差異はSOLプラズマパラメータと配位の時間変化？
14（注） ISOL/Ibias~10-20 %: 8.2GHz 実験(2016 Nov.)の低Ip(~5kA)プラズマwhere qSOL~20-30

SOL電流駆動効率のバイアス電圧周波数に対する依存性

SOL電流駆動効率の周波数依存性は0.1 kHz ~ 2 kHzの範囲ではみられない。
SOL電流の大きさも0.1 kHz ~ 2 kHzの範囲では明確な違いはみられない

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正・負バイアス時のSOL電流駆動率の比較
SOL 電流路長
Collisionless SOL : 𝑨𝑨∥ 𝚪𝚪∥ + 𝑨𝑨⊥ 𝚪𝚪⊥ =0 ( <= “Large area Langmuir probe” )𝟏𝟏𝑨𝑨∥ =dh ; 𝑨𝑨⊥ =2(d+h)𝑳𝑳∥𝒇𝒇 ; 𝚪𝚪∥ = n𝝊𝝊∥ ; 𝚪𝚪⊥ =-𝑫𝑫⊥ 𝛁𝛁𝒏𝒏=> 𝑳𝑳∥𝒋𝒋𝒇𝒇 =𝒅𝒅𝟐𝟐 𝒉𝒉𝝊𝝊∥𝒋𝒋𝟖𝟖(𝒅𝒅+𝒉𝒉)𝑫𝑫⊥𝒋𝒋𝟒𝟒

where j=“electron” or “ion”

Collisional SOL: 𝑳𝑳∥𝒆𝒆𝒆𝒆 for electrons; 𝑳𝑳∥𝒊𝒊𝒊𝒊 for ions
𝑳𝑳∥𝒆𝒆𝒆𝒆 = 𝝀𝝀𝒆𝒆 𝑳𝑳∥𝒆𝒆𝒇𝒇 , 𝑳𝑳∥𝒊𝒊𝒄𝒄 = 𝝀𝝀𝒊𝒊 𝑳𝑳∥𝒊𝒊𝒇𝒇 , where 𝝀𝝀𝒆𝒆 = 𝝀𝝀𝒊𝒊 : mean free path
S.A. Cohen, JNM 1978;
P.C. Stangeby, JPD 1985
Connection length in the SOL: 𝑳𝑳𝒄𝒄 ~ 2πR𝒒𝒒𝑺𝑺𝑺𝑺𝑺𝑺In SOL plasma of QUEST: Te~10-20 eV, ne ~ 5x1016 m-3, 𝒒𝒒𝑺𝑺𝑺𝑺𝑺𝑺 ~4, 𝑫𝑫⊥ =𝑫𝑫𝑩𝑩 ~2 m2/s
𝑳𝑳𝒄𝒄 =2πR𝒒𝒒𝑺𝑺𝑺𝑺𝑺𝑺 ~ 16 m, 𝝀𝝀𝒆𝒆𝒆𝒆 =𝝀𝝀𝒆𝒆 =𝝀𝝀𝒊𝒊 ~20 m ≳ 𝑳𝑳𝒄𝒄 =>𝑳𝑳//ec ~𝑳𝑳//ef =18 m < Lc
正・負バイアスでSOL電流の差異なし＝＞SOLの磁場を横切る輸送について興味深い結果を示唆
上の簡単な見積もりから 𝑳𝑳//f_el ~ 𝑳𝑳//f_𝒊𝒊𝒊𝒊𝒊𝒊
⇒

𝝊𝝊∥𝒆𝒆
𝝊𝝊
~ ∥𝒊𝒊
𝑫𝑫⊥𝒆𝒆
𝑫𝑫⊥𝒊𝒊=>

𝝊𝝊𝑫𝑫⊥𝒊𝒊~ ∥𝒊𝒊 ~𝑫𝑫⊥𝒆𝒆 𝝊𝝊∥𝒆𝒆𝑻𝑻𝒊𝒊 𝒎𝒎𝒆𝒆
≪1𝑻𝑻𝒆𝒆 𝒎𝒎𝒊𝒊

(𝑫𝑫𝒊𝒊𝒄𝒄𝒄𝒄 ≪ 𝑫𝑫⊥𝒊𝒊 ≪ 𝑫𝑫⊥𝒆𝒆 ~𝑫𝑫𝑩𝑩 )SOL中では 𝑫𝑫⊥𝒊𝒊 ≪ 𝑫𝑫⊥𝒆𝒆 ~𝑫𝑫𝑩𝑩 と予想される.
(A. Loarte et al., ITER tokamak basis chap.4, NF 2007.)

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まとめ
内側リミターと擬似的ダブルヌルダイバータ配位でトロイダル方向に分割したダイバータ板によるバイアス実験を行った。
 SOL電流駆動効率(=ISOL/Ibias)：最大70%

 小分割されたバイアス板による接続磁束管からの漏れ電流計測:
R方向の漏れ電流～10 ％、トロイダル方向の漏れ電流：~5 ％ 正バイアスと負バイアスでのバイアス駆動電流の比は～２以下：
バイアス板とSOL磁力線のなす角度が小さい(~４°)。
 正バイアスと負バイアスでSOL電流駆動効率に差異はない。
バイアス駆動電流の～60 %がSOL電流生成に寄与＝＞SOL中での上下ダイバータ間の電流路形成 (𝑳𝑳∥𝒆𝒆 ~ 𝑳𝑳∥𝒊𝒊 > 𝑳𝑳𝒄𝒄 =2π𝒒𝒒𝑺𝑺𝑺𝑺𝑺𝑺 )＝＞SOL中では𝑫𝑫⊥𝒆𝒆 ~𝑫𝑫𝑩𝑩 >> 𝑫𝑫⊥𝒊𝒊

 SOL電流路のL/R時間で応答： τs ~ ℒ/ℛ, ℒ=µ𝒐𝒐 𝑲𝑲𝑵𝑵 𝒏𝒏𝟐𝟐LS, n=q/L, S=π𝑹𝑹𝟐𝟐 , q=4, L=2m,R=0.65m, 𝑲𝑲𝑵𝑵 =0.77 => ℒ=0.013 mH;ℛ=Lc/(σ w*λj), Lc=2 πRq, Te=0.01 keV,
Zeff=2, w=0.15m, λj=0.02m => ℛ=0.07 ohms
τs ~ ℒ/ℛ=0.19 ms => SOL電流の立ち上がり時間はτsと同程度。

バイアス駆動電圧周波数を5 kHz以上とするとき留意。

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今後の計画
 ダイバータバイアスによるSOL幅の変化の有無の確認：

下側ダイバータ板の温度変化の計測（IRカメラ）

ダイバータプローブ（ダイバータ板より50mm以上かさ上げ）

赤道面でのSOL幅変化の計測（可動LPプローブ装置）
 RMP生成の直接計測：
磁気プローブアレイ(振幅とm, nの評価）

 高密度での実験によりバイアス駆動電流を駆動電源( 7A)まで増大させて実験：=> bmn/Bt ~ 10-4 (LCFSより2cm内側=> Hot electron閉じ込めへの影響？
 高精度の閉じ込め磁場配位での実験：EFIT等の配位確認

ダブルヌル及び上側シングルヌルダイバータ配位（上方向に磁気軸移動）での実験

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Back Up19

トロイダル分割型ダイバータバイアス法によるSOL電流駆動とRMP生成モデル
SOLcurrentCoreplasma

Method: Electric biasing of toroidally
segmented divertor targets
against the vacuum vessel withappropriate phasing
Inboard biased
targets

Outboard mid-plane
Outboard biased
targets
Biased target(Positive bias case)One-side biasing(Both-side biasing is also possible)[Example] Inboard-outboard both-sidebiasing for generation of n=3 RMPs20

トロイダル分割型ダイバータバイアス法で生成されるSOL電流群のフーリエ成分
Example of Single Null Divertor on
L//c_el < LcqSOL~3.5
Collisional SOL: 𝑳𝑳∥𝒆𝒆𝒆𝒆 /𝑳𝑳𝒄𝒄 =0.44
Assumption: Return current flows only

@ Single null divertor@ Outboard target biasing (PFPF)

radially toward the groundedvacuum vessel, preserving divJSOL=0|Im,n|/2

θ/2π

n=0/m~0n=2/m~7ϕ/2π00 10m10m20 30

010515 20nFourier components are nearly dominatedby the components with m/n ~ q95, although
appreciable m=0 component exists.

2030n21ダイバータバイアスで駆動されるSOL電流値Magnitude of SOL Currents
Ion saturation current: 𝒊𝒊𝒊𝒊𝒊𝒊 ≅ 𝟎𝟎. 𝟔𝟔𝟔𝟔𝟔𝟔𝟔𝟔𝒏𝒏𝒊𝒊
Electron saturation current: 𝒊𝒊𝒆𝒆𝒆𝒆 ≅𝑻𝑻𝒆𝒆 +𝑻𝑻𝒊𝒊
𝒎𝒎𝒊𝒊

𝒎𝒎𝒊𝒊
𝒊𝒊 ~ 68𝒊𝒊𝒊𝒊𝒊𝒊
𝒎𝒎𝒆𝒆 𝒊𝒊𝒊𝒊(Assump.)

SOL磁力線の浅い角度でのバイアス板との鎖交=> 𝒊𝒊𝒆𝒆𝒆𝒆 ≅ 2 − 3𝒊𝒊𝒊𝒊𝒊𝒊

Biasing voltage: 𝑽𝑽𝒃𝒃𝒃𝒃𝒃𝒃𝒃𝒃 ≥ αℛ∥ 𝑰𝑰𝑺𝑺𝑺𝑺𝑺𝑺 +κ 𝑻𝑻𝒆𝒆 , κ=4~5[Ohmic drop, 0<α<1][Potential drop in sheath]228.2 GHzRFによるプラズマで観測されたダイバータバイアスによるダイバータ粒子束分布の拡張
Biasing off (#33841)
Biasing on (#33843)<Iis> : averaged over t-0.025s to t+0.025s

Experiment
On Nov., 2016

Divertor biasing in the upper divertor plates slightly expands the ion saturation
current profiles measured at the upper divertor region.
Mechanisms: E×B effect or enhanced radial transport by convective cell ?
23

最高のSOL電流駆動効率#40792
1.0 kHz
Withlate gas puff
(high <ne>)24

SOL電流駆動効率のIp依存性(2)#40789
1.0 kHz
2-plates:
in-phase

SOL電流駆動効率 ISOL/Ibias ~ 60 % where qSOL ~6 -12（注） ISOL/Ibias~10-20 %: 8.2GHz 実験(2016 Nov.)の低Ip(~5kA)プラズマwhere qSOL25~20-30

SOL電流駆動効率のIp依存性(3)#40787
0.1 kHz2-plates:in-phase

SOL電流駆動効率 ISOL/Ibias ~ 60 % where qSOL ~6 -12（注） ISOL/Ibias~10-20 %: 8.2GHz 実験(2016 Nov.)の低Ip(~5kA)プラズマwhere qSOL26~20-30