常電導 0.5T運転 LHDの研究プラットフォーム化に対するコメント
2021.7.19
東井和夫
NIFS名誉教授コンテンツ 過去に⾏われた（超電導）LHDでの~0.5T、NBI加熱プラズマ実験の結果と今後の課題
 常電導コイルによるLHDの0.5T運転時の問題点
 まとめ超電導LHDにおける過去の~0.5T、NBI加熱実験での⽣成プラズマ
 SC LHDの0.5Tにおいて⽣成されたNBI加熱プラズマパラメータ
プラズマ点⽕法：
Bt 0.41 T, co‐ ⽅向⼊射接線NB (ポート通過パワー ~ 3MW, ~150keV)
プラズマ加熱法：co‐NBI, ctr‐NBI & perp NBI(#4)
 ⽣成プラズマパラメータ： Teo ≲ 0.6 keV, Tio ≲ Teo (多分）, <ne> ~ 𝟎. 𝟓＝＞ 𝝆*≳0.01、t ~ 1‐3%, 𝝂*~0.1 ‐ 1

3E19 m‐3

NBI加熱の⾼ベータプラズマだがcollisional ( plateau ~ Pfirsch‐Schlueter 領域)
peaked Te‐prof., broad or hollow ne profileLHDにおける過去の~0.5T、NBI加熱実験結果と今後の課題(1) ⾼ベータプラズマ⽣成とそのMHD 平衡・安定性研究：
S. Sakakibara et al., FST( 2010 ).
<今後の課題＞ high n & low n 抵抗性インターチェンジモード特性とその安定性、⾼ベータ平衡、抵抗性インターチェンジモードのモードパリティ変化（ティアリングモードへの移⾏）など＝＞⾼圧⼒勾配を有する3次元プラズマの磁気⾯崩壊と修復機構に関する実験と⾼度なMHDやMHD-kineticシミュレーションとの⽐較検証
 軽⽔素プラズマでの周辺輸送障壁(ETB)形成とH-モード研究:
collisional pedestal (ETB top) (𝝂*~1)
LH遷移による閉じ込め改善度( ~ 1.1 max 1.2 、但しgyro-Bohm type ∝ 𝒏𝒆 )⾼周波ELM (f ~100 Hz)の特性 ( &ELM free H-mode in Rax=3.9m config.)

K. Toi et al., NF(2002), PoP(2005), FST (2010)<今後の課題＞ 明確なTe/Ti-ETBの形成なし, edgeの磁気丘影響など＝＞ITG, TEM, TEMの静電乱流に加えKBM, MTMなどの電磁乱流輸送観測とジャイロ運動論シミュレーションとの⽐較検証、乱流輸送制御法の確⽴

超電導LHDにおける過去の~0.5T、NBI加熱実験結果と今後の課題(2)⾼速イオン駆動アルヴェン固有モードと⾼速イオンやバルクプラズマ閉じ込めへの影響

Helicity induced Alfven eigenmode(HAE)の観測
S. Yamamoto et al., PRL (2003)
HAEの空間構造の確認
K. Toi et al., PPCF (2011)

TAE burstによる⾼速イオンの径⽅向輸送（NPAによる観測）
M. Osakabe et al., NF (2006)

超電導LHDにおける過去の~0.5T、NBI加熱実験結果と今後の課題(3)⾼速イオン駆動アルヴェン固有モード特性と⾼速イオンやバルクプラズマ閉じ込めへの影響

TAE burstによる⾼速イオンの損失
K. Ogawa et al., NF (2010)

TAE burstsに伴う⾼速イオン損失に起因した背景プラズマ閉じ込め改善
K. Toi et al PPCF (2011)<今後の課題＞
AEの減衰機構（安定機構）の制御、AEの⾼速周波数掃引の理解、AE等を利⽤したMHD spectroscopy, EP輸送の背景プラズマ閉じ込めへの影響 等=> 位相空間でのEP‐AEsとの相互作⽤実験データ収集(FIDA, NPA, CTS etc.)とMHD‐kinetic(Hybrid)やfull gyrokinetic シミュレーションとの⽐較検証とAE制御法の確⽴

常電導LHDの 0.5T, 10 s パルス運転時の問題点(1) LHDを0.5Tで既存施設を活⽤して実現されるプラズマ:
常電導コイル＋パルス電源の時に注意すること
LHDは超電導ヘリカル装置として、
i) OH加熱電場は不要。
ii) 電流ディスラプションは発⽣せず。
として設計・製作されたと思われる。超電導コイルのクエンチ時の急速磁場低下は考慮されている。

右図のように、

SUS316100mm t
SUS316 (20mmt)（１）真空容器にはトロイダル⽅向電気抵抗をあげるためのベローズやブレーク構造はない。 SUS316製で厚み20mmのダンベル型。
（２）ヘリカル(HC)コイルはトロイダルにヘリカル状厚板のシェルアームに格納され、シェルアームは円形断⾯の単純トーラス状シェルサポート（SUS316, 厚み100mm) に溶接されている。
これら2種類の構造体はHCコイルと電磁的結合
𝑪𝒎𝒄 (=𝑴𝟏𝟐 /(𝑳𝟏 𝑳𝟐 が強い。構造体への誘導電流（渦電流）は過⼤評価になるだろうが、ここでは単純化のため𝑪𝒎𝒄 ~1の変流器と考える。

Shell arms

常電導LHDの 0.5T, 10 s パルス運転時の問題点(2)HCコイルは2ブロックでできた変流器１次コイル(オーミック加熱コイル）と等価３層のうち1層150ターンの2ブロックを使⽤するとき300:1の巻線⽐
150x2=300ターン(Heliotron typeは2ブロック直列接続）
粗い検討例： 𝑩𝒕 ＝0.5T発⽣のため、ヘリカル コイル(150 ターンｘ２ブロック）両端に1500V印加（森崎⽒からの7⽉16⽇の情報）

𝑩𝒕 ＝0.5T
𝑽𝑯𝑪 1500 V~ ‐1500 V
0515time (s)20

Bt時間変化波形とHCコイル印加電圧波形
Btの電流変化よって、真空容器、シェルアームおよびシェルサポート部に誘起されるトロイダル⽅向の周回電圧：𝑽𝒍𝒐𝒐𝒑 ~ 𝑽𝑯𝑪 /300 ~ 5 V
また、トロイダル磁場の時間変化はポロイダル⽅向に誘導電圧を発⽣させる。
𝚽𝒕𝒐𝒓 ~ 𝒓𝟐𝑯𝑪 𝑩𝒕 ~ 1.4 Wb; 𝒓𝑯𝑪 ~0.95 m, 𝑩𝒕 =0.5 T => 𝑽𝒍𝒐𝒐𝒑𝜽 ~ 1.4Wb/5s ~ 0.3 V

常電導LHDの 0.5T, 10 s パルス運転時の問題点(3) 真空容器のトロイダル電気抵抗：ℛ𝒗𝒗 ~150 𝝁𝛀 𝜼𝒔𝒖𝒔𝟑𝟏𝟔 ~ 1.2𝝁𝛀 ·m, 𝑹𝒗𝒗
𝒓𝒗𝒗

𝟏. 𝟓 𝒎, 𝒅𝒗𝒗

𝟑. 𝟗𝒎,𝟎. 𝟎𝟐𝒎)

真空容器の⾃⼰インダクタンス：ℒ𝒗𝒗 ~ 5.1 𝝁𝑯 ⇒ 真空容器の時定数：ℒ𝒗𝒗 /ℛ𝒗𝒗 ~0.033 s
 シェルサポートのトロイダル電気抵抗：ℛ𝒔𝒔 ~26𝝁𝛀 𝜼𝒔𝒖𝒔𝟑𝟏𝟔 ~ 1.2𝝁𝛀 ·m, 𝑹𝒔𝒔
𝒓𝒔𝒔

𝟏. 𝟖 𝒎, 𝒅𝒔𝒔

𝟑. 𝟗𝒎,𝟎. 𝟏𝟎𝒎)

シェルサポートのポロイダル電気抵抗：ℛ𝒔𝒔𝜽 ~5 𝝁𝛀 => 𝑰𝒔𝒔𝜽 ~𝑽𝒍𝒐𝒐𝒑𝜽 / ℛ𝒔𝒔𝜽 ~ 0.6 MA
シェルサポートの⾃⼰インダクタンス(toroidal)：ℒ𝒔𝒔 ~4. 𝟑 𝝁𝛀 ⇒ 時定数：ℒ𝒔𝒔 /ℛ𝒔𝒔 ~0.17 s
 Btを5 s程度で上昇や低減させると𝑽𝒍𝒐𝒐𝒑 ＝５Vに対しシェルサポート抵抗負荷。
 HCコイルのフラットトップ開始と終端時の𝑩𝒕 𝟎. 𝟓𝑻時に𝑰𝒔𝒔 ~ 𝑽𝒍𝒐𝒐𝒑 /ℛ𝒔𝒔 〜0.19 MAが誘起。
ただ、シェルアームに誘起される電流の時定数がシェルサポートの時定数より⻑ければシェルサポートの誘導電流はかなり低下するだろう。
dB /dt=2.75T/20s~0.14 T/st＝＞詳細な渦電流解析が必要。
 ヘリカルコイル電流とポロイダルコイル電流の誘導結合は渦電流分布を変形させる可能性あり。また、ポロイダルコイルへの誘導電圧誘起（コイル層間耐圧）の要検討。
 LHDの20年以上の運転で唯⼀のBtの最⼤時間変化：=> LHDの機械構造の致命的損傷なし(ほぼ, 渦電流//B?)

dBt/dt ~ 0.1 T/s

H. Yanagi et al., FST (2010).

2回/shotの常電導コイル運転は、現時点では問題なしとはいえない。

まとめ
 0.5 Tの接線NBI加熱プラズマでは⾼速イオン関連、乱流とその制御、⾼ベータステラレータプラズマ研究が可能。過去の0.5T実験時以降、計測機器と⼤規模シミュレーションが充実している。ただ、計測機器については低磁場適⽤への改造必要。
SOL‐divertor研究やRF加熱研究も含めた広範な核融合プラズマの基礎研究や他分野との連携研究にからむ種々のアイデア検証と新展開に活⽤が期待される。
 シェルサポートなどの遮蔽効果により真空容器内にはオーミックトロイダル電場が〜０。磁気⾯は存在するが誘導電場のみによるプラズマ点⽕は相当困難（極低密度のrunaway 電⼦流⽣成は可能）。接線NBI点⽕のアシスト効果はあるかも。
28GHz ECH , ~0.5 ‐1MW程度の整備（確実なプラズマ⽣成のため）。物理実験においても電⼦加熱だけでなく実験ツールとして有⽤。
主加熱としての接線NBI1基は必須。プラズマ計測⽤に改造した垂直NBIも。

＝＞各⼤学の講座やセンターレベルの装置との差別化ができ、国内共同利⽤機関の研究プラットフォームとしての魅⼒が出せる＝＞共同研究や学⽣教育に活⽤
LHD及び周辺機器（加熱、計測）の改造予算の確保（2022年度予算 or …)2023年度以降のこれらの装置機器（スパコンも）の運転維持予算は？
 真空容器やシェルと同サポート部にほぼ軸対称だがかなりの誘導電流（渦電流）が誘起される可能性がある。注意深い技術検討と通電試験が必要。構造材へのひずみセンサー等の各種モニターを監視し、安全運転ができるような改造が必須。