Heliotron J

ヘリオトロンJ
ヘリオトロンJにおける周辺プラズマ研究
における周辺プラズマ研究
双方向型共同研究における筑波大学とのセンター間連携研究計画
周辺プラズマ中の乱流構造ならびに乱流輸送給（排）気の最適化制御
周辺／ダイバータプラズマに対するプラズマ電流ならびにプラズマ回転の影響
京都大学
エネルギー理工学研究所

水内 亨
IAE, Kyoto University
平成23
平成23年度筑波大学プラズマ
23年度筑波大学プラズマ研究センタ－シンポジューム
年度筑波大学プラズマ研究センタ－シンポジューム

センター間連携研究計画
Heliotron J

IAE, Kyoto University

1a2c

EBW加熱物理
加熱物理

ECH/EBW連携研究
連携研究(NIFS））

境界プラズマ動的特性の可視化 (I)

新規YAGトムソントムソン
新規

境界プラズマ・ダイバータ
プラズマ制御 (I)2a

熱・粒子制御連携研究（筑波/広大（筑波 広大/東大
広大 東大/東北大
東大 東北大/府立大府立大/NIFS)
府立大第一壁熱・粒子負荷評価 (I)2b双方向型共同研究共通課題：ヘリカル型原型炉に向けた境界プラズマ制御
双方向型共同研究共通課題：ヘリカル型原型炉に向けた境界プラズマ制御
筑波大学・京都大学連携プロジェクト

境界プラズマ・ダイバータプラズマ制御研究と先進ダイバータ概念開発
Heliotron J

IAE, Kyoto University

２次元・３次元数値シミュレーション研究（関連研究グループによる双方向共同研究）

数値シミュレーションと実験研究との相補的研究による理解の深化と予測精度の向上

筑波大学
大型開放端装置によるダイバータ模擬研究

京都大学
配位制御性の高い実機による模擬研究の検証

新計測手法の開発・相互の経験を活かした多次元計測手法の高度化
両者における実験研究の有機的連携による境界・ダイバータ領域における熱・粒子輸送研究の促進

目標：– 定常環状プラズマ型核融合炉、とくにヘリカル型原型炉
ヘリカル型原型炉へ向けたとくにヘリカル型原型炉へ向けた
境界プラズマ・ダイバータプラズマの総合的理解。
総合的理解。
手法：– 新計測手法開発を目指す相互の経験を活かした多次元計測手法の高度化。
– 大型開放端磁場を活かしたダイバータ模擬研究と配位制御性の高い中型環状磁場装置における境界プラズマ・ダイバータプラズマ研究の連携。
期待される成果：– ヘリカル系特有の境界プラズマ輸送の理解。
境界プラズマ輸送の理解。
– ヘリカル原型炉における境界プラズマ・ヘリカル原型炉における境界プラズマ・ダイバータプラズマの予測精度の向上
ダイバータプラズマの予測精度の向上。
予測精度の向上。
– 先進ダイバータプラズマ制御法の提案。
– ITERややJT-60SA等における境界プラズ等における境界プラズ
マ・ダイバータ制御研究への貢献。

ヘリオトロンJにおける新・局所プラズマ計測器の整備状況
Heliotron J

電子温度分布 (TV-Thomson））

密度分布 （AM reflectometer））
SMBI後の密度分布の時間発展（1ms時間分解能）

IAE, Kyoto University• Nd:YAG トムソン散乱計測システム （建設中）• AM マイクロ波反射計• Ti 分布、 VT 分布測定のためのCXRS• 多チャンネルHCN 干渉計 (準備中)• 接線方向 PHA（準備中）（準備中）• 磁気島計測システム
磁気島計測システム（開発中）
島計測システム（開発中）• 高速ビデオカメラ多方向同時観測システム
高速ビデオカメラ多方向同時観測システム• 周辺乱流輸送測定用多チャンネル・多機能プローブシステム• 密度揺動計測用 マイクロ波反射計• 密度揺動計測用Beam emission spectroscopy• 新規 SX tomographyシステム（（開発中開発中）
New Nd:YAG Thomson scattering system

連携研究課題 ｰ First Phase ｰ （１）境界プラズマ・ダイバータプラズマを対象とした多次元計測手法の開発と高度化
Heliotron J

IAE, Kyoto University• 境界プラズマ動的特性の可視化– 高感度高速カメラを用いた計測手法の最適化• 高速カメラと複合プローブによるHeliotron J周辺プラズマの研究（京大・広大）
J周辺プラズマの研究（京大・広大）• 開放端磁場配位プラズマにおける２次元イメージ計測に基づく周辺プラズマ揺動解析（筑波・広大）– 放射損失の空間構造の動的計測手法の開発• ヘリオトロンJ
ヘリオトロンJプラズマにおける放射損失の空間構造とその動態に関する研究（京大・NIFS
放射損失の空間構造とその動態に関する研究（京大・NIFS）
NIFS）• 第一壁熱・粒子負荷評価– バルクプラズマ分布、揺動計測• 高時間分解静電・磁気複合ポロイダルプローブ（京大）• 方向性プローブや損失イオンプローブによる粒子異常輸送の研究（京大・NIFS
方向性プローブや損失イオンプローブによる粒子異常輸送の研究（京大・NIFS）
NIFS）– 高時間分解熱流束計測• ヘリオトロンJ
ヘリオトロンJにおける閉じ込め遷移に伴う熱流束変化の計測（京大・大阪府大）− 境界プラズマ・ダイバータプラズマのイオン･電子エネルギー分布計測• イオンセンシティブプローブによる境界プラズマのイオン温度計測（京大）• ダイバータ用マルチグリッド型静電プローブアレイの開発（準備）連携研究課題 ｰ First Phase ｰ （２）境界プラズマ・ダイバータプラズマの能動的制御へ向けた基礎研究
Heliotron J

IAE, Kyoto University• 境界プラズマ・ダイバータプラズマ制御––

粒子補給手法の最適化• 開放端磁場プラズマにおけるリサイクリング挙動と粒子供給の最適化に関する研究（筑波･京大）• ヘリオトロンＪにおけるマルチチャンネルH
ヘリオトロンＪにおけるマルチチャンネルHα/Dα/Dα線放射分布計測を用いた粒子補給の最適化（京大・筑波）境界領域における電場制御• Heliotron J装置におけるJ装置における電極バイアスによる径方向電場制御（京大・東北大・NIFS
電極バイアスによる径方向電場制御（京大・東北大・NIFS）
NIFS）
エルゴディック層を含む領域でのプラズマ輸送予測の高精度化• 三次元シミュレーション・コードによる予測・モデル開発（京大・筑波・NIFS予測・モデル開発（京大・筑波・NIFS）
NIFS）• プラズマ回転とヘリカル磁場高調波成分• 詳細な境界プラズ計測データの蓄積（京大･筑波）0.4

0.2z (m)

–

0-0.2

-0.4
0.8

11.2
R (m)

1.4

1.6 0.8

11.2
R (m)

1.4

1.6

連携研究課題 ｰ Second Phase ｰ

先進ダイバータ概念開発へ向けたヘリカル特有の境界・ダイバータ領域における熱・粒子輸送の理解と制御手法の開発
Heliotron J

1.

IAE, Kyoto University

境界・ダイバータ領域における熱・粒子輸送– 揺動・乱流特性と輸送制御» ETB制御と電位制御» ELMs／Blobs特性と制御– 不純物輸送制御– 中性粒子制御– 非接触プラズマ制御– 磁力線構造ならびに粒子軌道における統計的挙動のプラズマ粒子・熱輸送およびその制御に対する効果
2.

先進ダイバータ概念開発– 先進磁場配位におけるダイバータ構造– 先進概念ダイバータ

Heliotron J

ヘリオトロンJ
ヘリオトロンJにおける周辺プラズマ研究
双方向型共同研究における筑波大学とのセンター間連携研究計画
周辺プラズマ中の乱流構造ならびに乱流輸送給（排）気の最適化制御
周辺／ダイバータプラズマに対するプラズマ電流ならびにプラズマ回転の影響
周辺部乱流輸送の周辺部乱流輸送の• コアプラズマ閉じ込めへのコアプラズマ閉じ込めへの影響への影響• ダイバータ機能への影響
IAE, Kyoto University

ヘリオトロンJ
主な計測／加熱装置配置
Heliotron J

IAE, Kyoto University
Reflectometer
Ti Gettering

Bol.

Ti Gettering

Visible Spec. L Probes
MagneticsNBICXRSBES

Ti Gettering

ICRFTi Mag. ProbeBol..

YAG Thomson

VUV
Fast-Camera
Divertor
ProbesTi Gettering(bottom)

Hαα
Spec.

Magnetics

Gas
Gas

Fast-Camera

Magnetics

NPA,Visible#11.5 SMBI
Mov. Probe
L Probes
ECE
ECE

ECH x2
NBITV
ThomsonThomson2mm
Interferometer

Ti Gettering
AXUV

Fast-Camera
Bol. Bol..

70GHz ECH

Heliotron J: a helical-axis heliotron device(〈〈R0〉/〈ap〉 = 1.2/0.17 m, 〈B0〉 ≤ 1.5 T) .

周辺プラズマ中の乱流構造ならびに乱流輸送
Heliotron J

IAE, Kyoto University

高速ビデオカメラで観測されるフィラメント（ストライプ?）状周辺プラズマ揺動構造（径方向からの観測）(N.Nishino)
L-modeJust after transition

L-H transition

before H-L transition

H-modeGPI (L-mode)10

高速ビデオカメラで観測されるフィラメント（ストライプ?）状周辺プラズマ揺動構造（接線方向からの観測） （N.Nishino）） IAE, Kyoto University
Heliotron J

静電プローブシステム
S. Ohshima, M. Takeuchi
Heliotron J

IAE, Kyoto University#14.5 ProbeS. Ohshima, et al., EPS2011

Heliotron JIAE, Kyoto University

Objectives of
new configuration at #14.5 port
S. Oshima, J. Kasajima, L. Zang, N. Nishino
Heliotron JIAE, Kyoto University

Probe

Shutter

Fast Camera

高速カメラによる二次元計測
プローブによる定量的計測を組み合わせることができる。
フィラメント構造の構造・その特性を観測
プローブ内蔵の磁気プローブによる揺動の静電⇔磁場な特性の切り分け。
⇒ 複合プローブによるLCFS近辺の実測。
高速カメラとの相関、他プローブとの相関の検証。
⇒ フィラメント揺動が、局所/非局所的な揺動であるのか？
フィラメント構造と輸送との関連は？

＃14.5新設複合プローブ
新設複合プローブ
Heliotron J

IAE, Kyoto University

プローブ構造内蔵磁気プローブ

径方向

ポロイダル方向Triple probeとして使用可。
Er , Eθ ,評価可能 → Γ, R.S.の評価可能

Br , Bθ , Bφ 計測可能

ヘリオトロンJにおける高速カメラを用いた周辺プラズマ揺動の可視化
ヘリオトロン における高速カメラを用いた周辺プラズマ揺動の可視化
岐岐岐岐
分分分分

J. Kasajima, N. Nishino

目的 高速カメラ１台による２方向同時計測により高い精度で周辺プラズマ揺動の構造とその動きの可視化を目指す

内←トーラス→外光ファイバー
上映像

装置 分岐光ファイバーにより2方向画像を同期して撮影(nac製fx-K5 /20kfps,288pixel×240pixel)

横映像

プラズマ

解析方法
各ピクセルの発光強度をFFT解析し、位相を色で表現→位相図
I(ω ) = I(ω ) exp( j(ωt + φ(ω )))

横映像

上映像
元映像
FFT

位相図の例

2500HzHeliotron J

ヘリオトロンJ
ヘリオトロンJにおける周辺プラズマ研究
双方向型共同研究における筑波大学とのセンター間連携研究計画
周辺プラズマ中の乱流構造ならびに乱流輸送給（排）気の最適化制御
排）気の最適化制御
周辺／ダイバータプラズマに対するプラズマ電流ならびにプラズマ回転の影響
給排気制御によるプラズマ分布制御並びに周辺プラズマ最適化
IAE, Kyoto University

ヘリオトロンJにおけるヘリオトロン における給における給（排）気制御（排）気制御Heliotron J

IAE, Kyoto University

給気法の最適化– プラズマ分布制御» コアプラズマ閉じ込め・周辺プラズマ・ダイバータ機能の最適化» 加熱分布制御– 超音速分子ビーム入射（SMBI）法» 最適化 ⇔ 短パルス高強度GP法との違い– ペレット入射法

排気（リサイクリング）制御– 短パルス実験 → 壁排気の活用» Ti-getter （現状）• 実効的リサイクリング率は?

» B or Li コーティングの検討

SMBI can expand the operation region of
Heliotron J(ECH(~ 0.35 MW) +NBI(Pport~ 0.6 MW) plasma)
Heliotron J

IAE, Kyoto University

5#3.5

Σ IDPA/nel(normalized)
000Hαα200time (ms)0.10SMBIGP
ECH0.1Hαα#15.501

Hα
α#3.5

Σ IDPA/nel(normalized)
0000.10GP

NBI

2500Σ IDPA

10Wp (kJ)

2Wpdiamag (kJ)

01200.1
Hαα#15.54Hαα (a.u.)104α (a.u.)
Hα0Σ IDPAne (1019 m-3)

02

Σ IDPA (a.u.)

Wp2Wp (kJ)

4neHαα (a.u.)

4HJ33144Hαα (a.u.)

19-3
Σ IDPA (a.u.) ne (10 m )HJ30131

NBI+ECH/STD
SMBI(HJ30131)

43

multiple SMBI(HJ37137)
short-pulse gas-puff(HJ33144,33145)

2
1NBI

ECH

200time (ms)

250

0

12
3
19ne (10 m-3)

4The stored energy reached ~ 4.5 kJ, about 50 % higher than the max. one achieved sofar under the normal gas-puff fueling condition in Heliotron J.
The short & intense GP cannot increase the stored energy beyond the GP max.
It is interesting to note that the response of ΣIDPA to density increase is quite different
between these two discharges.

5Comparison between
direct and non-direct SMBI
HJ39981/STD

3Heliotron J

Wp (kJ)

2
1IAE,
WpKyoto(kJ) University2
1ne (1019 m-3)

ne (1019 m-3)00gasgasGP

GP

Hα
α#3.5 (a.u.)Hαα#3.5 (a.u.)

NBI#1

NBI#1
NBI#2

NBI#2
ECH

0200

ECH0250200

HJ39980-39981

01.1

Closed

1.3
R (m)

0.4

0.2Open,t = 212 ms

LCFS

1.2

HJ39980-39981

0.6Hαα-Intensity(x 10)

Open,t = 209 ms

250

time (ms)time (ms)Hαα-Intensity

Advantage of SMBI fueling is
confirmed by comparing theplasma performance between
OPEN and CLOSED shuttercases.
Top: Time traces of lineaveraged density, stored
energy for ECH+NBI plasmas
between two cases of open (a)and closed (b) conditions of theshutter in front of SMBI.
Bottom: Chord profiles of Hα
at the SMBI section (#3.5) forthe open shutter case ( ) andthe closed case (■) at two
different timings, 209 and
212 ms.

HJ39980/STD

3

1.4

0
1.1

Closed

1.2

1.3
R (m)

1.4

Edge Plasma Response to SMBI
Heliotron J

IAE, Kyoto University（S. Ohshima））

Large increment of plasma stored energy after ashort pulse intense GP is also observed.
Heliotron J

IAE, Kyoto University

Large increment of plasma stored energy
after a short-pulse intense GP has been
observed in NBI (or NBI+ECH) plasma.
The increment in Wp is observed after ashort-pulse intense GP (t ~ 200 ms), but
Wp starts to decrease during the heatingpulse.
― This decrease of Wp is probably due to thecooling in the outer region of plasma causedby excess fueling.

However, Wp started to increase again (t ~235 ms) and finally reached to over 5 kJ,
which is higher than the first peak of Wp.
― Rapid increase in the edge AXUV
intensity in the same timing mightsuggest the recovery of the energybalance in the edge region.
Example of Intense GP
Discharge.(PNBI ~ 1 MW)

Heliotron J

ヘリオトロンJ
ヘリオトロンJにおける周辺プラズマ研究
双方向型共同研究における筑波大学とのセンター間連携研究計画
周辺プラズマ中の乱流構造ならびに乱流輸送給（排）気の最適化制御
周辺／ダイバータプラズマに対するプラズマ電流ならびにプラズマ回転の影響
Divertor Footprintsはは静止しているか？
IAE, Kyoto University

Edge Magnetic Field Structure
for STD Configuration
Heliotron J

IAE, Kyoto University

0.4

0.4

0.2

Z (m)

HFC

Z (m)

0.2

00

-0.2

-0.2

-0.4

-0.4

0.8

1

1.2

1.4

0.8

1.6

1R (m)

0.2

Z (m)

0.2

Z (m)

0.4

0-0.2

-0.4

-0.4
1.2

R (m)

1.6

1.4

1.6

0-0.2

11.4

R (m)

0.4

0.8

1.2

1.41.60.8

11.2

R (m)

“Ergodic” state of edge
field lines (red) are similar
to the conventional
heliotron configuration.
The edge filed structure
becomes rather simple(yellow) when the vessel
wall is taken into account.
The connection length ofthe divertor field lines ismuch shorter than theisland divertor case.

The divertor footprints are localized
in toroidal direction.
Heliotron JIAE, Kyoto University

Heliotron J

IH=0.96, IV=-0.84
ITA=0.50, ITB=0.20
IAV=0.075, IIV=0.48

Heliotron J0.30.2

180

-0.3
0.9

11.1 1.2 1.3 1.4 1.5

R (m)

Z (m)

0-0.2

60-0.3

Low Field Side Footprints

00.91

1.1 1.2 1.3 1.4 1.5

R (m)-60-120-1800oil-0.2

0.2-0.1

lc-0.1120

helica00.3

0.1

High Field Side
Footprints

poloidal angle (deg.)

Z (m)

0.1

Heliotron J

IH=0.96, IV=-0.84
ITA=0.50, ITB=0.20
IAV=0.075, IIV=0.48

ϕ = 9.0 deg.
dsr=0.005, dsw=0.0

High Field Side
Footprints

3060

toroidal angle (deg.)90One Candidate for Island Divertor
Heliotron J

IAE, Kyoto University

ϕ = 45°

0.3
0.2

Z (m)

0.1

Another m=8/n=4
islands around ι/2π ≈0.5 surface.
Large confinement
area and middle island
size.

0-0.1
-0.2
-0.3
0.8 0.9

11.1 1.2 1.3 1.4 1.5

R (m)Almost no clearance on
the HFC side (ϕ ≈ 10°).
Need a Target Plateon the Opposite Side tothe HFC.

周辺／ダイバータプラズマに対するプラズマ電流ならびにプラズマ回転の影響
プラズマ電流ならびにプラズマ回転の影響
Divertor Footprintsは静止しているかは静止しているか?
は静止しているか
Heliotron J

IAE, Kyoto University

Poincaré plot of the edge field lines atthe divertor probe array section.
The inset shows the probe-pin
positions.
#14-pinZ (m)#1-pinR (m)30-keV,0.7-MW
NBI (BL-2)

70-GHz, 0.4-MW
ECH

RDPA
Divertor
Probe Array

19~20MHz, 0.4MW
ICRF-1, -2

LCFS
Edge Magnetic
FieldsHelical Field Coil

30-keV,0.7-MW
NBI (BL-1)

Experiment

ECH (≈≈ 0.3 MW) + NBI (≈≈ 0.7 MW, co-injection) @ STD

02ECH

Wp

Ip

103– In the density range shown in the figure, the observed
plasma current is considered to mainly consist of thebootstrap current and the NB induced current.

21040R=1.407 m

HJ15449

2(1018 m-3)

NBI

ne l

Ip (kA)

0.50.5The observed non-inductive toroidal plasma
current is gradually increases as increase of thestored energy.

α (a.u.)HαHαα

1IAE, Kyoto University

HJ154492(a) t = 211 ms
10(1018 m-3)

ne, div (1018 m-3)

Wp (kJ)nel (1019 m-2)

Heliotron J
1.50Position of Divertor Leg

1.403
2
10R (m)(b) t = 277 ms

1.4

1.45

R (m)
Lc PeakDensity Peak

1.45200250time (ms)The overall trend of the densitypeak-position shift seems to be wellsynchronized with the change of
Wp or Ip.

The profiles of the diverted
plasma density
at t = 211 and 277 ms.
– At 211 ms, the density distribution is consistent withthat expected from the vacuum field topology.
– At 277 ms, the density peak position shifts inward
about 4 cm compared to the position at 211 ms.

電極バイアスシステム
S.Kitajima, et al.
Heliotron JIAE, Kyoto University

バイアス用電極 (LaB6製熱陰極)
・電極ヘッド：フィラメント材LaB6(φ =10mm、l =17mm)
・CHS(NIFS)における電極バイアス実験において使用
・トロイダル角φ=251.05°水平ポートより挿入

バイアス用電源・運転モード・・・定電圧モード
・出力電圧 / 電流・・・~400 V/ ~100 A(但し、同時達成ではない)
・最大出力パルス幅・・・~50 ms (矩形波)・真空容器に対して負にバイアス
3バイアス実験 (2009年3月実験）
Heliotron J

IAE, Kyoto University

主な実験条件
磁場配位(磁場条件)：B~1kG
加 熱 条 件 ( プ ラ ズ マ 生 成 ) ： 2.45GHz
ECH〉 TP~80mm

粒子供給：ガスフロー
放電ガス種：H2、D2
電極用電源の増力 （CW 650V 23A)

計測装置
・トリプルプローブ
・マッハプローブ・Hα アレイ・ダイバータプローブ

4S.Kitajima, et al.

バイアス時のダイバータプラズマ位置変動
Heliotron J

IAE, Kyoto University
Divertor Probe Array

0.04
0.02
00.04

HJ-SH365/090305

Heliotron J

CH8CH90.4

0.02
00.04

CH110.2

00.04

Z (m)

0.02
CH120.02
00.04

0CH130.02
00.04

-0.2

CH140.02042
Bias12012time (s)

00.8

11.2

R (m)

1.4

1.6

Heliotron J

ヘリオトロンJ
ヘリオトロンJにおける周辺プラズマ研究
における周辺プラズマ研究
双方向型共同研究における筑波大学とのセンター間連携研究計画
周辺プラズマ中の乱流構造ならびに乱流輸送給（排）気の最適化制御
周辺／ダイバータプラズマに対するプラズマ電流ならびにプラズマ回転の影響
共同利用・共同
共同利用・共同研究の提案大歓迎！
利用・共同研究の提案大歓迎！
双方向型共同研究
エネルギー理工学研究所
ゼロエミッションエネルギー研究拠点
IAE, Kyoto University