平成23年度プラズマ研究センター合同シンポジウム
つくばサイエンスインフォメーションセンター 平成２３年７月２０−２３日

GAMMA 10 におけるPWI研究
プラズマ研究センター

中嶋洋輔

双方向型共同研究課題-- 開放端磁場配位を用いたダイバータプラズマ模擬に関する基礎研究 -研究代表者： 筑波大学プラズマ研究センター 中嶋洋輔
研究協力者： 名古屋大学工学研究科 大野哲靖
青字は今年度新規参加
大阪大学工学研究科 上田良夫
日本原子力開発研究機構 朝倉伸幸
慶應義塾大学理工学研究科 畑山明聖，藤間光徳
核融合科学研究所 相良明男，廣岡慶彦，増崎 貴，庄司 主
広島大学工学研究科 西野信博
東京大学工学研究科 門 信一郎
大阪府立大学工学研究科 松浦寛人
東北大学金属材料研究所 四竈樹男，永田晋二，趙 明
東海大学工学研究科 利根川昭，小向広泰，飯島貴朗
筑波大学数理物質科学研究科 坂本瑞樹，片沼伊佐夫，市村 真，假家 強，吉川正志，武田寿人
市村和也，石井 貴
NIFS所内世話人： 廣岡慶彦

研究の背景と目的

プラズマ研究センターにおける第2期中期計画における主要な柱として，新ダイバータ装置を導入した境界プラズマにおける粒子輸送制御研究を課題に掲げ，ダイバータ模擬の研究を進めている。
上記研究計画では、2つのダイバータ装置が挙げられ，一つはセパラトリックスを有するトロイダルダイバータ様の磁場配位を持ち（A(X)-Divertor)，もう一つは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研究（E-Divertor）である。
本研究の目的は，タンデムミラープラズマ閉じ込め装置ガンマ10のダイバータプラズマの模擬装置としての可能性を探るために，端部ミラー（E-Div.）における基礎実験及び数値計算に基づいた検討を行うことである。これによって，開放端磁場配位を活かし，ダイバータ開発における課題解決に向けた貢献を行う。
PRC Sympo 2011, Y. Nakashima

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

E­Divertor

Anchor region

Target plate

Plasma電位形成による閉じ込め改善研究

Open Magnetic Field
Potential &Electric field

Microwave
source for
ECH
High power
heatingsystems(RF, NBI)
Tools for Plasma Control

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 2011, 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 2011, Y. Nakashima

E-Div.の基礎実験結果（双方向型共同研究）（CM/Prb，回転ターゲット，端損失イオンエネルギー分析器，及びガス導入系）
Observation area by high-speed camera
GAMMA 10
plug/barrier-cell

GAMMA 10 end-mirror
vacuum vessel

GAMMA 10 End
Tank

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
0100

西エンド部真空容器と実験装置の配置

200zEXIT (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 2011, Y. Nakashima

E-Div.の基礎実験結果（双方向型共同研究）
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で熱流束・粒子束密度の計測が行われた。
RF power dependence
RF only 190 ms Z

Exit

1.2

0.8

0.4

0.4

0.2

0.2

06080100120140160

RF2 Power (kW)

1800200r

0.4= -250 VPrbi

Prb4:!

bias= 2 cm

3.0ii

2.00.21.000(Down)0(North)(Up)(South)

90

180

270

20.6

V

Prb1:! !
Prb2:!

4.0

particles/s•m )

0.6

Heat

120-160 mssample

220.8

0.6
2i

( MW/m )! (x = -3 cm)

Heat(x = -5 cm)

1.0

23

PHeat ( MW / m2 )

Heat

it

(r = 0 cm)!'!()!*+iP(x = 0 cm)!i ("10 particles/s•m2 )1P! (x = 2 cm)#$%&! ("10Heat

RF only 190 ms "

0.8

1.2PP

Angular distribution= 30 cm

Angle (deg.)• 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。
• 熱流束と粒子束のピッチ角分布は，両者共に良い一致を示し熱流源は主としてイオン流によるものであることを示している。
PRC Sympo 2011, Y. Nakashima

E-Div.の基礎実験結果（双方向型共同研究）
Ti// のICRF パワー依存性

西エンド部真空容器内に設置した端損失イオンエネルギー分析器（ELIEA）を用いて，端ZExit = 300 cm

500

損失イオンのエネルギー分析を行い，軸方向イオン温度Ti// とイオン電流値を評価した。

400

from Probe & CMfrom ELIEA

2010.9.25
K. Ichimura, Y. Nakashima

T (eV)

Energy Spectrum of End-loss Ionsi//216275(95.80~195.80ms)

10-5!"#$!%&'(!

!

Ion flux (Arb. Unit)!)&#*!+,,-!./0300200!)1231 (680 eV)DL!)&#*!4!)123110-6).%%52!66eff7!+,8") )9!4!"):DH

100Ti// = β • Thigh + ( 1 - β ) • Tlow
0010-7

50

100

150

200

RF2 power (kW)10-80500

1000

E ion (V)

1500

2000

端損失イオンの実効温度 T effi // は、DMccの増加と共に上昇し，100 ~ 400eVの範囲で制御可能• 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// はと
主にICRFパワーと共に増加し、お互いに良い一定を示した。
PRC Sympo2011, Y. Nakashima

E-Div.の基礎実験結果（双方向型共同研究）
熱流束・粒子束密度の制御性を調べるために、それらのメインプラズマパラメータや各種プラズマ生成・加熱系に対する依存性が調べられた。
by H. Takeda
zExit = 30 cm

17rPrb = 0 cm

RF3RF+GP3,4GP7After GP7
RF1with RF3 (rCM = - 2 cm)!i (x1022 particles/m s)

PHeat ( MW/m2 )0.8

rCM = - 2 cm
rCM = 0 cm

0.6
0.4
0.2
000.2

0.4

0.6

0.8

<DMCC> ( x104 Wb )1zEXIT = 30 cm

654321022.5

33.544.555.56

NLCC ( x1013 cm-2 )

熱流束密度は、セントラル部の蓄積エネルギー(反磁性量）の増加と共に上昇し、粒子束密度は、同部電子の線密度と共に増加することが分かった。
• 両者のデータは、極小磁場アンカー部のICRF追加熱により有意に上昇し、その効果が確認された。
•PRC Sympo2011, 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
H. Takeda, Y. Nakashima

ZEXIT = 30 cm

122(MW/m )108net ECH

6r

4r

PHeatrCM = 0 cmr

20100

150

200

250300CMCM
CM= 2 cm
= 4 cm= 6 cm350

ECH Power (kW)PRC Sympo 2011, Y. Nakashima

400

Upper limit of the ECH power

ITER relevant heat-load level• 典型的なホットイオンモードプ
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~ 5 keV）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，熱流束密度の計測を行った。
• その結果，短パルスECH印加中に，ITERにおけるダイバータ板上の熱流密度に匹敵する値（ ~ 9MW/m2 ）を示した。
• 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
450 の増強により，更に高熱流束を発生できる見通しが得られた。

高速カメラによるプラズマー材料相互作用の2次元イメージ計測
Only RF

ミラー出口に設置した回転ターゲット

End-loss plasma

TargetSampling pixel position

TargetCalorimeteron stain-lesssteel

120 イオン流

ICRF
ECH

100X

80Y

6040with ECH

20Carbon

電子流0Tungsten
Ceramic shaft

Probe

ECH入射時，端損失プラギングによる発光強度の減少を観測

Plasma flow

Tungsten

SUS 316

Carbon (IG-430)

φ10cm

Camera: HAS 220
Frame rate: 400 fps
Shutter: Open
Filter: Without
R. Yonenaga, Y. Nakashima

端損失プラズマ流と材料表面との相互作用による強い発光を観測

PRC Sympo 2011, Y. Nakashima

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)Gas injectionsystem (FY2010~)

Movable calorimeterand directional probe

NBI heating
system (Existing)(Existing)Z
Movable divertor
exp-module
RF heatingsystem(FY2012~)(FY2011~)

ECHsystem(Existing)
PRC Sympo 2011, Y. Nakashima•ダイバータ実験モジュール(D-module)の設置と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•

高周波発振器の増強による高熱流束の強化

Introduce system 東北大金属材料研究所との連携協力
Rotatable targetof sample species に基づいてS
iC試料への端部プラズマ
assembly(FY2010~)流の初期照射実験が開始された。
(FY2010~)

今年度計画中の実験装置（ダイバータ実験モジュール）
ガンマ10西エンド部改造模式図• 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

昇降システムダイバータ実験モジュール
PRC Sympo 2011, Y. Nakashima高速カメラによるプラズマー材料相互作用の2次元イメージ計測端部ミラー出口に設置したV字ターゲット

Frame rate: 400 fps, 228 × 164 pixels

Plasma• 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。
• ターゲット材とプラズマとの強い相互作用光が初めて撮影され、アンカー
極小磁場部のICRF追加熱により，その発光強度が著しく増加していることが認められた。
PRC Sympo 2011, Y. Nakashima

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

連携• 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• ﾘｻｲｸﾘﾝｸﾞ制御
連携

京都大
表面ﾌﾟﾛｰﾌﾞ• 表面分析
九州大• 損耗/再堆積
大阪大• 高熱流粒子束制御• ﾀﾞｲﾊﾞｰﾀ候補材とﾌﾟﾗｽﾞﾏとの相互作用 / 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

核融合研
簡易ﾀﾞｲﾊﾞｰﾀﾓｼﾞｭｰﾙ• ｼﾐｭﾚｰｼｮﾝ
慶應大熱流計• 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
PRC Sympo 2011, Y. Nakashima

まとめ
次期研究計画として，新ダイバータ装置を導入した境界プラズマにおける粒子輸送制御研究を課題に掲げている。本研究では，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研究（E-Divertor）において，その実現可能性をガンマ10西エンドミラー部にて実験的検証を行っている。
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 ~5 keV）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（ ~ 9 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。

端部容器内にターゲット板を設置し，プラズマとの相互作用発光を高速カメラにより観測した。ターゲット材（W, C, SUS）の違いによる発光の有意な差が認められ，ECH入射による電位形成に起因する特徴的な発光挙動が観測された。



端部に設置したイオンエネルギー分析器を用いて，端損失イオンのエネルギーを直接測定し、100 ~ 400 eVの範囲で制御可能であることを示した。



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 8×1022 H/s•m2 まで増加し，端部熱流・粒子束の増強に，この追加熱が効果的であることを示した。
東北大金属材料研究所との連携協力によって，ダイバータ候補材への端部プラズマ流の初期照射実験を開始した。
PRC Sympo 2011, Y. Nakashima成果発表一覧

国際会議 / ワークショップ報告
1. Y. Nakashima, et al., 2nd Int. Symposium on Plasma Surface Interactions, Jan. 18-20, 2010, NIFS, Toki
p. 26. (論文掲載済：Fusion Engineering and Design 85 (2010) 956-962.)
2. Y. Nakashima, et al., 19th Int. Conf. Plasma Surface Interactions, May 24-28, 2010, San Diego P1-87.
(論文掲載予定：Journal of Nuclear Materials)
3. Y. Nakashima, et al., 8th Int. Conf. Open Magnetic Systems for Plasma Confinement, July 5-9, 2010,
Novosibirsk p. 27. (論文掲載済：Trans. Fusion Sci. Technol. 59 No.1T (2011) 61-66. )4. Y. Nakashima, et al., Int. Workshop on Requirements for Next Generation PMI Test Stands in Fusion
Research, August 31 - September 2, 2010, Oak Ridge USA.
5. Y. Nakashima, et al., 23rd IAEA Fusion Energy Conference, October 11-16, 2010, Daegeon, Korea
FTP/P1-33.



国内会議 / 研究会報告
1. 中嶋，他
2. 中嶋，他
3. 中嶋，他
4. 中嶋，他
5. 中嶋，他
6. 中嶋，他
7. 中嶋，他
8. 中嶋，他
9. 市村，他
10. 武田，他
11. 東山，他
12. 中嶋，他
13. 市村，他
14. 武田，他

第１回プラズマ研究センターシンポジウム，2009年7月，筑波大学
平成21年度第１回PWI合同研究会，2009年8月，核融合科学研究所
プラズマ・核融合学会第26回年会，2009年12月，京都4pE21P
プラズマ・核融合学会第26回年会インフォーマルミーティング，2009年12月，京都
平成21年度第２回PWI合同研究会，2009年12月，核融合科学研究所
第２回プラズマ研究センターシンポジウム，2010年7月，筑波大学
平成22年度第１回PWI合同研究会，2010年11月，核融合科学研究所
プラズマ・核融合学会第27回年会，2010年11/12月，札幌30pA10
プラズマ・核融合学会第27回年会，2010年11/12月，札幌01P28
プラズマ・核融合学会第27回年会，2010年11/12月，札幌01P29
プラズマ・核融合学会第27回年会，2010年11/12月，札幌03P56
平成22年度境界層プラズマ等合同研究会，2011年1月，核融合科学研究所
平成22年度境界層プラズマ等合同研究会，2011年1月，核融合科学研究所
平成22年度境界層プラズマ等合同研究会，2011年1月，核融合科学研究所
PRC Sympo 2011, Y. Nakashima