QUEST研究会 2018.7.20

QUEST10年の歩み
高温プラズマ理工学研究センター

Advanced Fusion Research CenterContents• これまでの実績（数値指標）• QUEST計画の概要• これまでの経緯• 電流立ち上げ研究の成果• 長時間運転研究の成果• SOLでの粒子・熱輸送・流れに関する成果• これまでの達成状況

Advanced Fusion Research Center高温プラズマ力学研究センター及び高温プラズマ理工学研究センターの体制
高温プラズマ力学研究セン
ター
高温プラズマ力学研究センター
高温プラズマ理工学

2007

2008

佐藤教授

2009

2010

2011

2012

退職

坂本准教授

2013

2014

藤澤教授
異動

2016

異動

退職

出射教授

出射准教授

上瀧准教授

出射教授

定常プラズマ加熱

花田教授
恩地助教

退職

徳永准教授

高温プラズマ壁相互作用

徳永准教授

長谷川助教

長谷川助教

吉田教授（2015～協力研究員）

高温プラズマ材料理工学

渡邉准教授

高温プラズマ診断客員教授・准教授

稲垣教授

稲垣教授

周辺プラズマ・炉材料理工学

渡邉准教授

藤澤教授 高温プラズマ計測

藤澤教授

永田正義

兵庫県立大学

2005～2007

小野清水勝宏日本原子力研究開発機構

2006～2009

Roger Raman

竹入康彦

核融合科学研究所

2007～2009

福山 淳

京都大学

2008～2010

御手洗

東海大学

2008～2010

修

2018

永島准教授

定常プラズマ制御学

異動

中村教授
高温プラズマ壁相互作用

2017

池添准教授

花田教授

高温プラズマ制御学

高温プラズマ理工学研究センター
定常プラズマ理工学

永島准教授
図子教授

高温プラズマ計測学

2015

高温プラズマ理工学研究センター

菊池満

日本原子力研究開発機構

2010～2011東井和夫

核融合科学研究所

2010～2011

上田良夫

大阪大学

2011～2012

江尻晶

東京大学(准教授)

2011～2012藤田隆明

日本原子力研究開発機構

2012

久保伸

核融合科学研究所

2012～2015

畑山明聖

慶応義塾大学2013～2015

大野 哲晴

名古屋大学

2013～2015

井手俊介

日本原子力研究開発機構

2013～2015

諫山明彦

量子科学技術研究開発機構

2016～

坂本隆一

核融合科学研究所

2016～

筒井広明

東京工業大学（准教授）

2016～

假家

強

筑波大学（准教授）

2016～雅之

Princeton Plasma Physics Laboratory

2017～

University of Washington（准教授）2017～

客員教授・准教授

Advanced Fusion Research Center

共同研究の状況

Advanced Fusion Research Center

論文、学会発表の状況

Advanced Fusion Research Center予算の推移Advanced Fusion Research Center

QUEST計画の概要

Plasma and Fusion Research Volume 5, S1007(2010) K.Hanada et al. Scopus citation 45• The speciﬁc purpose in phase I is:(1) To examine the steady state current drive and thegeneration of closed ﬂux conﬁguration by electron Bernstein wave
(EBW) current drive (CD).
• The purposes in Phase II are:(1) To comprehensively establish recycling control
based on control of wall temperature, and advanced wallcontrol under high plasma performance.
(2) To improve diverter concepts and to establish theway of controlling particles and heat loads during long duration
operation.
(3) To obtain relatively high β (10 %) under high elongated plasma
shape and additional heating power in short pulse discharge up to 1 s.
Advanced Fusion Research Center

QUEST計画の概要：ダイバータ計画
First Step

Second StepFirst Step: Hot wall + Flat divertor
基盤研究（S)：H.Zushi 2011-2016
基盤研究（A)：K.Hanada 2016-2019
Second Step: Hot wall + Closed divertor

閉ダイバータ化の前にSOL流発生の機構や中性粒子圧縮を評価する必要がある。金属壁（タングステン）を採用し、壁温を制御できるプラズマ対向壁（高温壁）を設置
Plasma and Fusion Research

Volume 5, S1007 (2010)

K.Hanada et al. Scopus citation 45
Advanced Fusion Research Center

QUEST計画の概要：電流駆動（EBWCD)
0.11 A/W: 1MW ~ 100kA• O-X-B:
1MW CW injection

ダイバータ研究やNBI入射に備えるためにカットオフを超えた高密度化をEBWH/EBWCDで実現する。目標値を100kA、4×1018 m-3（プラズマカットオ
フの４倍）とした。
H. Idei et al., J. Plasma Fusion Res. SERIES, Vol. 8 (2009) 1104
K.Hanada et al. Plasma and Fusion Research Volume 5, S1007 (2010)

Scopus citation 45
Advanced Fusion Research Center

QUEST計画の学術的意義• ST炉を目指すうえで、OHなしでの電流立ち上げは可能か？
RF電流駆動（LATE、TST-2で実績あり）• NBI入射につながる高密度化は可能か？
EBWH/CD (TST-2@K, LATEで実績あり）
1


a

1,
n/n
が実現可能か？
RF
原型炉規模に適応可能な条件
RF• 定常化（目指すべき定常状態とはどのような状態か？）完全な定常は？（非平衡開放系での定常？）周期を繰り返す状態→1年間（炉のミッション）• 定常化を決める時定数は何か？何が決めるのか？
tA（MHD）/ tE （エネルギー輸送）/ tP（粒子輸送）/tL/R（平衡）/未知？

• 熱・粒子を制御するためのSOL
SOL流の制御法(ダイバータバイアス、パフ＆ポンプ）

巨大なP/Rに対応できるダイバータ(SF, Super-X)
Advanced Fusion Research Centerプラズマ着火の研究(a)

正のn-indexでは(c)
着火は容易

(b)

1.5

第二高調波の場合には電子が低温から加速されにくいためパワーが必要となる。

n-index10.50-0.50.20.40.60.8

11.2

R [m]
35基本波

(a)

1086425201510520001450(a)100150200250250Connection Length [m]121086450(b)RF Power [kW]RF Power [kW](b)3012RF Power [kW]RF Power [kW]14100150200

Connection Length [m]

20

基本波

15第二高調波105200020406080

100 120 140

Connection Length [m]R.Yoneda et al.

050

100

150200Connection Length [m]PoP 2017 Download 131/year

Miura et al. Plasma Fusion Research
Advanced10,Fusion
Research (2015)
CenterVolume3402066

閉磁気面形成機構に関する研究
軌道電流は電場に加速された高速電子が担うリミタ挿入で計算と一致して磁気面が変化。

軌道電流だけでは閉磁気面は形成されない。
圧力駆動電流が１ｋA程度必要。

Ishiguro et al. PoP 19, 062508 (2012) citation 15
Ishiguro et al. J. of Phys.: 511 (2014) 012041
Hanada et al. PST 13 307 (2011) citation 23
Tashima et al. NF 54 (2014) 023010 citation 18
Advanced Fusion Research Center

平衡配位に関する研究

Outer divertor
coil

Inner divertorcoil

閉磁気面内だけを電流が流れていると仮定した
場合

開磁気面内に仮想コイルを設置して計算した場
合

開磁気面内に高速電子が存在して閉軌道を持つ電子による電流を仮定した場合

K. Nakamura et al. / Fusion Engineering and Design 123 (2017) 532–534
O. Mitarai et al., Fusion Engineering and Design 109–111 (2016) 1365–1370
Advanced Fusion Research Center入射RF技術の進展 Phased Array

H. Idei et al., J. Plasma Fusion Res. SERIES, Vol. 8 (2009) 1104

Klystron管の故障により、トカマク実験はあまり実施されず2機のみ購入2017年度：QUEST実験推進会議の決定
Advanced Fusion Research Center

九州大学

2Avg.

0.05

H-planeE-plane (flat mirror, theory)

Average (flat mirror, theory)

1

N//制御と集束化
0.00

•

2

E-plane (flat mirror, theory)
H-planeAverage (flat mirror, theory)

1H-plane (flat mirror, theory)
0.00
510
ac

150.0620.35λ の回転角調整型偏波器の組み合わせ120• よ り 高い周波数の偏波器においても 同様の設計手法が成立する かが今後の課題• RF 電磁場解析だけでなく 熱応力・ 冷却・ 材料選定を 総合評価し て， MW 定常仕様の偏波器を 設計する こ と が今後の長期的課題

Elliptical polarizer

Squareend mill
偏波制御
0.05
で， 99.88%以上の偏波状態を実現可能
2400NIFS0optimum

Avg.
0.05

[1] J.L. Doane, Grating polarizers in wMilli. Waves13 (1992) 1727-1743.
[2] T. Ii, S. Kubo, T. Shimozuma, S. K
H. Igami, H. Takahashi, S. Ito, Y
K. Kobayashi, Y. Goto, T. Mutoh, D
long-pulse millimeter-wavetransmi
Rev. Sci. Instrum. 86 (2015) 023502[3] D. Maystre, Rigorous vector theorie
in Optics (North-Holland PhysicVol. XXI, Chap. I.
[4] K. Nagasaki, Y. Itoh, H. Morioka, T.
groovesin theHE11 modetransmiss
6208(1999)10823-843.12[5]ac G. Zhang, K. Nagasaki, J. Zhou, H
A polarizer with sinusoidal grooves
heating system of the HL-2A tokam619-624.
[6] J. Doane, H. Grunloh, W. Martin, W
power microwave transmission: ODes. 102 (2016) 99-107.
[7] T. Kariya, R. Minami, T. Imai, T.
T. Numakura, Y. Endo, M. Ichimur
for cooperativeECH study, Fusion S[8] http://www.comsol.com/[9] B. Plaum, E. Holzhauer, C. Lechtecharacteristicsof groovedsurfacesw
Milli. Terahz. Waves32 (2011) 482[10] W. Kasparek, A. Fernandez, F. Hol
ohmiclossesof metallicreﬂectorsa
technique, Int. J. Infrared Milli. Wav• d = 0.25λ の楕円度調整型偏波器と d =Relative ohmic loss

E-plane(c)
表面粗さ 4は表皮深さの(0.70.38
R cuttermm) 倍以下であPolarization rotator(c) d = 0.35l for the polarization rotator
0.10

References0.05

0.08

0.07
り ， オーム損失に与える影響は小さい．
30R(a)
オーム損失も同等の値をTop示す．BottomOhmic loss (%)d/l(b) d = 0.25l for the elliptical polarizer
E-planeoptimum

0.10

Rq = 0.15 μm に抑える こ と ができ ， かつ

00.40y (mm)

0.35

E

part by the NIFS grant ULRR703
RR
Number 16K18338.

Groove surface
0123x (mm)

4(b)

524

＜偏波器＞

実寸サイ ズの偏のオーム損失の28 GHz ECH/E
熱応力・ 冷却・Figure5: (a) Photoof thefabricated polarization rotator by mechanical machining, (b) a part of the mirror surface observed with a microscope. The surface
roughness Rq is 0.08-0.15 µm at the top and the bottom of the grooves. (c)Design of the groove geometry for the elliptical polarizer and the polarization(a)rotator. ThegrooveparametersarethesameasinTop
Table1. Bottom(c)4GHz higher than
28 GHz. R cutter (0.7 mm)
Figure 6 shows the calculated
between a
Polarizationrelationshiprotatorlinearly-polarized incident wave and an elliptically-polarized3
reﬂected wavefrom thecombinationof theoptimally-designed
Elliptical polarizer
two polarizers. For thiscalculation, theplanesof incidence forboth the polarizers
are set identical and the direction of the in2
cidentwavepolarization for theﬁrstpolarizer, i.e., theellipticalpolarizer, is set perpendicular to the plane of incidence. The1
calculation method is experimentally
validatedin the previous
Square end
millwork [2]. The results indicate that the efficiency to realize agiven polarization
state is more than 99.88% . Thus, it is con0
cluded thatany polarization statecan berealized.

y (mm)

Ohmic loss (%)

0.30

H-plane (flat mirror, theory)

Ohmic loss (%)

筑波大学

0.25

0.09

Relative ohmic loss

28GHz システムの開発と電流駆動
0.00
0.20の方が汎用の切削工具を 用いて表面粗さ をRe

H-plane (flat mirror, theory)

04. Conclusions

123

45x (mm)

Theohmiclosson thegrooved mirror surfacewasevaluatedin thesimulated real-scalepolarizer miter bend by changing incidentpolarizationsandgrooveparameters. Thepolarizerswith

Karia et al. AIP Conference Proceedings 1771, 030020 (2016)
4Karia et al. Fusion Science and Technology, 68:1, 147-151 (2015)
Karia et al. Nucl. Fusion 55 (2015) 093009
R,Minami et al. Nucl. Fusion 53 (2013) 063003
Toru Ii Tsujimura et al. Fusion Engineering and Design 114 (2017) 97–101
H. Idei et al. IAEA2016 EX/P4-50
Advanced Fusion Research Center

マイタ ーベン ド＜矩形コ ルゲート

110 / 137.5 GHと 低オーム損失

反射波の位相特

本研究は NIFS 九大

16K18338 の助成を

第二高調波ECCDによるプラズマ電流の立ち上げ

H. Idei et al. Nucl. Fusion 57 (2017) 126045
Y. Takase et al. Nucl. Fusion 57 (2017) 102005
H. Idei et al. IAEA2016 EX/P4-50

Advanced Fusion Research Center

EBWHの実験結果

H. Idei et al. IAEA2016 EX/P4-50
Advanced Fusion Research Center

EBWH/EBWCDへの準備研究
高磁場入射によるX-B

O-X-Bの逆過程でプラズマからのEBE輻射を観測して入射を制御

GENRAY calculationne(0)~8ｘ1017 m-350kW injection
H. Idei et al., JINST 11 C04010 (2016)
Mishra et al. Rev. Sci. Instrum. 85, 11E808 (2014)

R. Yoneda et al. PFR accepted in 2018
Advanced Fusion Research Center

国際共同研究：新たな電流立ち上げ法（CHI)の導入QUEST型電極実験では入射電流が０でも残存電流が存在。

QUEST型電極でもCFSの形成は可能

電子温度が低い方が磁気再結合が起こりやすい。

K.Kuroda et al. Plasma and Fusion Research: Rapid Communications Volume 12, 1202020 (2017)
K.Kurodo et al. Plasma and Fusion Research: Volume 13, 3402059 (2018)
Advanced Fusion Research Centerパワーバランスに関する研究~50% of Pin

K. Hanada et al 2016 Plasma Sci. Technol. 18 1069
Advanced Fusion Research Center水冷リミタと高温壁の導入(2014A/W: operated since 2015)
水冷リミタ for power balance

高温壁 for particle balance

K. Hanada et al Nucl. Fusion 57 (2017) 126061
Y. Takase et al. Nucl. Fusion 57 (2017) 102005
Advanced Fusion Research Center長時間放電の進展
HW 120 ℃

HW 200 ℃

水素バリアモデル
K. Hanada et al. Nucl. Fusion 57 (2017) 126061
Y. Takase et al. Nucl. Fusion 57 (2017) 102005
Advanced Fusion Research Center壁面の微視的観測と再堆積層の形成
再堆積層の膜厚は上下非対称で数十nm

Wang et al. Rev. Sci. Instrum. 88, 093502 (2017)

弱磁場側で原子束は上下非対称

A. Kuzmin et al. / Journal of Nuclear Materials
463 (2015) 1087–1090
Z.Wang Dr. thesis (2017)
Advanced Fusion Research Center

微視的観測と粒子バランスをつなぐ研究
再堆積層の役割を解明

水素バリアモデルの提唱と新たな時定数の発見
𝑁𝑤 (𝑡) =𝑘tanh Γ𝑖𝑛 𝑘𝑡

26-3D density (m )

5x10

𝛤𝑖𝑛

0

0.0

0.4
0.8
depth (m)

1.2

K. Hanada et al. / Journal of Nuclear Materials 463 (2015) 1084–1086
K. Hanada et al Nucl. Fusion 57 (2017) 126061
Advanced Fusion Research Center計測技術(原子束計測）の進展

H. Zhou et al. / Journal of Nuclear Materials 463 (2015) 1066–1070
M. Onaka et al. / Nuclear Materials and Energy 9 (2016) 104–108
A. Kuzmin et al. / Nuclear Materials and Energy 12 (2017) 627–632
A. Kuzmin et al. Vacuum 129 (2016) 178
Advanced Fusion Research Center長時間運転の制御技術の進展Total control

Magnetics control

Fueling control

Wall Temp. control

M. Hasegawa et al. Fusion Engineering and Design 88 (2013) 1074–1077
M. Hasegawa et al. Fusion Engineering and Design 96–97 (2015) 629–632
M. Hasegawa et al. Fusion Engineering and Design 112 (2016) 699–702
M. Hasegawa et al. Fusion Engineering and Design 129 (2018) 202–206

Advanced Fusion Research CenterBlob発生機構と制御
OH plasma

Slab plasma

Blobの尖頭度は磁場で調整が可能
Banerjee et al.

Blobの発生領域と伝搬領域では相関が悪い

Rev. Sci. Instrum. 83, 10E524 (2012)

QUESTのBlobはSheath
connected limit 領域近傍で発生
Banerjee et al.

QUESTのBlobはStochasticforceで駆動。
Phys.AdvancedPlasmasFusion
21, Research072311Center(2014)

Blobによる粒子輸送発生頻度の少ない大振幅のBlob(10%)が60%以上の粒子輸送を担っている。

ITERでのBlob（Vb)による粒子輸送は、磁力線方向（Cs）が優位となる。

H.Q. Liu et al. / Journal of Nuclear Materials 438 (2013) S513–S517
Ogata et al. Phys. Plasmas 18, 092306 (2011)

Advanced Fusion Research CenterSOL流制御につながる研究
RFプラズマでのプラズマ電流,ガスパフとプラズマSOL流

ECW入射後の配位、密度、SOL流、揺動の変化

Onchi et al. Phys. Plasmas 22, 082513 (2015)
Onchi et al. Plasma Phys. Control. Fusion 58 (2016) 115004

磁場配位によるコアプラズマ回転の違い

Banerjee et al. Phys. Plasmas 23, 082507 (2016)
Mishra et al. EPJ Web of Conferences 87 02012 (2015)
Advanced Fusion Research Centerこれまでの研究の達成度とまとめ
課題

目標値

達成度

プラズマ生成RFのみによるプラ 80%
ズマ生成

展望

適用

第二高調波による ITER
JT-60SA
プラズマ生成プラズマ電流立ち 100kA
上げ

86%

最適化（N//、偏波）

高密度化

４x1018m-3

125%

コアプラズマでの NBI入射への接続
粒子輸送長時間化

5時間16分40%

統合制御

将来の炉の条件での長時間化

学術的課題

目標達成度

展望

適用

EBWH/CD

モード変換の理解 10%と制御

28GHz ECCD,OH, CHIとの組み合わせ

モード変換の物理

時定数定常化を決める時 50%
定数

固体物理とプラズ 水素の振る舞いのマ物理の連携
理解

SOL流制御、ダイバータ

中性粒子圧縮制御パラメータの プラズマ流れ、回発見
転制御

10%

OHなしST

Advanced Fusion Research Center謝辞

10年間ありがとうございました。
今後もよろしくお願いいたします。

Advanced Fusion Research Center

定常自立の解は存在するのか？
粒子排気、
熱・中性子

α加熱

自発電流

電流分布（平衡維持）

2004年春物理学会
シンポジウム

圧力分布

加熱分布

輸送係数
燃料補給

自律性の性質と外界との相互作用を調べる必要がある。

自律ループの定常性１（ＴＳ）
2004年春物理学会
シンポジウム

自発電流

Predator-Prey SystemdTe  T Te 1   j dtdj  j j 1   Te dt

電流分布

圧力分布
閉じ込め

20supplied
H atomsof theamount byTotal supplied)piezo valve(1020by Piezo valves （10 atoms）

Total amount of hydrogen atoms

自律ループの定常性２
壁排気の非線形振動（ＴＲＩＡＭ－１Ｍ）
2004年春物理学会
シンポジウム

5粒子閉じ込めWall saturation

~7min

4pump

Wall saturation

3

Wall pump again

2

Wallsaturation

Wall Pumping

壁排気

プラズマ密度燃料補給

1by pump unit
001020304050607080

Time (min)Wall pumping rate

～１.5 x 10

16

atoms m-2sec-1

再度燃料補給が再開できた
理由は共堆積粒子バランスを支配するリサイクル粒子
リサイクル率０

中性粒子圧力に依存
表面吸着数が圧力に比例

リサイクル率 1.01

 dnn
 dt   fuel nn 1   CX ni  dni1  ni 1   ion nn tp
 dt

 dn
 Ren  fuelni   CX nn ni t

 dtp



 dni   1 n 1   n iion n dttp

 dnn
 dt   fuel 1   CX nn ni  dni
1  ni 1   ion nn tp
 dt
30

30

30

25

25

2520

20

151520nn

15ni
101010

5

5

5020

40

60

80

100

020

4060

80

1000nnnnni

ni

20

40

60

80100