01aA01
ヘリカルプラズマにおける電子内部輸送障壁に与える磁場構造の影響
Effect of Magnetic Field Configuration on Electron Internal Transport Barrierin Helical Plasmas
釼持尚輝1, 南 貴司2, 高橋千尋2, 望月聡一郎3, 小林進二2, 長崎百伸2, 中村祐司3,岡田浩之2, 門 信一郎2, 山本 聡2, 大島慎介2, 木島 滋2, G. M. Weir4, 西岡賢二5,大谷芳明3, X. Lu3, 水内 亨2
1
Naoki KENMOCHI , Takashi MINAMI2, Chihiro TAKAHASHI2, Souichiro MOCHIZUKI3,Tohru MIZUUCHI2, et al
東大新領域1, 京大エネ理工研2, 京大エネ科3, IPP4, 名古屋大学5
GSFS, Univ. Tokyo1, IAE, Kyoto Univ.2, GSES, Kyoto Univ.3, IPP4, Nagoya Univ.5た。
3.0HJ59786

ne_bar [1019-3m ]0.8

Ip [kA]
ECE(r/a~0.1) [a.u.]

2.00.60.41.00.20.0150200250300350

Time [msec]

0.8

r/a~0.10.7

VECE [a.u.]

磁場閉じ込め方式による核融合炉の実現のためには閉じ込め性能の改善が重要な課題である。閉じ込め改善現象の一つとしてエネルギー輸送を低減する領域である輸送障壁の形成は、トカマクプラズマのみならずヘリカルプラズマにおいても高性能プラズマ実現のための重要な課題である。その一つである、ヘリカルプラズマの電子内部輸送障壁(eITB)は、中心領域で正の強い両極性径電を形成し、電場の勾配により乱流を抑制する改善手法である。
ヘリオトロン J 装置は他のヘリカル型装置にはない連続巻線ヘリカルコイルにより、立体磁気軸を伴う先進ヘリカル閉じ込め磁場配位を実現している[1]。本装置はコンパクトな高ベータ閉じ込めヘリカル型装置を実現する可能性を持っているという点で他のヘリカル型装置にはない利点を有する装置である。近年、ヘリオトロン J においてもトムソン散乱計測[2]を用い、電子サイクロトロン波加熱(ECH)により中心部でピークした電子温度分布が観測され、この時 eITB が形成されていることが確認された[3]。ヘリカル型装置ではこれまでに、ヘリカルリップルや磁気島の存在が eITB に与える影響が報告されている。特に、磁気島の影響に関しては、TJ-II[4]や LHD[5]においてフローや揺動、熱輸送への影響が調べられており、磁気島の存在が eITB 形成のトリガーとなることなどが報告されている。しかし磁場配位が eITB 形成に与える影響、特に有理面や、それに伴う磁気島が eITB 形成にどのような影響を与えるのか明らかになっていない。そこでヘリオトロンJ が多様な磁場構造を形成できることを利用しeITB の形成に磁場構造が与える影響を調査しxhalf(r/a~0.1)=238.67msec

r/a~0.2

0.6

xhalf(r/a~0.2)=239.34msec

0.5

r/a~0.3
0.4
xhalf(r/a~0.3)=240.04msec

0.3

236

238

240242244

246248Time [msec]

図１ r/a~0.1, 0.2, 0.3 における急峻な電子温度の上昇。上昇のタイミングが外側のチャンネ
ルほど遅れている。

eITB foot point (r/a)

0.4

0.3

0.2

0.1
after
island formation

beforeisland formation
0.0
0.0

0.5

1.01.5

Ip [kA]

図２ トロイダル電流値の増加に伴う
eITB フット位置の変化
ヘリオトロンJにおいて実効ヘリカルリップ
ルの大きさが異なるなる配位に対して、eITBが形 成 さ れ る 密 度 閾 値に違いがあることを観測した。この結果は新古典理論から予測される傾向と異なり、その要因として磁気島の形成の有無がeITBの形成条件に影響していることが考えられる。そこで、磁気島の存在に着目し、eITBの構造に与える影響を確認した。プラズマが存在しない状態（真空磁気面）において有理面が存在しない配位のヘリオトロンJプラズマに対し、加熱パワー・密度をeITB形成に十分な条件にすることでeITBを形成した。eITB形成を保持した状態で、トロイダル電流を~0 Aから徐々に上昇させることで回転変換を変化させた。トロイダル電流値がある閾値(~0.7 kA)を超えるとeITBフット位置が数百マイクロ秒の間1.2n/m = 5/9n/m = 4/71.0にr/a~0.1からr/a~0.2までプラズマ外側方向に向かって移動した（図１）。その後、トロイダル電流量の増加に伴いeITBフット位置が更に外側へ移動した（図２）。回転変換の初期値を変えて同様の実験を行うと、磁気島が形成される可能性が高いn/m=4/7に近いほど、eITBフットの位置が移動を始めるトロイダル電流値が下がることが明らかになった（図３）。実験パ
ラメータ領域には他にも磁気島を形成することができる低次の有理面が存在するが、そのような有理面にはeITBが影響を受けないことも確かめられている。実験的に得られたトロイダ
ル電流値とeITBフット位置の変化を考察するため、新古典理論計算からブートストラップ電流 分 布 を 求 め 、 そ れ を 元 に MHD平 衡 コ ー ド（VMEC）を用いて回転変換分布を見積もった
ところ、トロイダル電流値がある値を超えるとプラズマ中心領域（r/a∼0.3）の回転変換が4/7を越え、有理面が形成されることが示された。
更に、その後電流値の増加に伴い有理面位置がプラズマ外側に移動することも示され、実験と定性的に矛盾しない結果となった。
ヘリオトロン J はプラズマ全域で磁気シアが非常に小さい磁場配位を有するため、わずかな電流によって有理面の形成・消滅や、有理面の位置を制御することができる。以上の結果はトロイダル電流制御を介した時間応答性の高い eITB の形成及び位置制御の可能性を示している。eITB フット位置は閉じ込め性能に対して(r/a)2 の改善効果があり、閉じ込め改善領域を広げることで高性能プラズマの生成手法に新たな知見を与えるものである。本講演では、ヘリカルプラズマの多様な磁場構造が eITB 形成に与える影響について報告し[6]、それらの影響を及ぼす物理機構に関して議論する。

Ip [kA]

0.80.6
0.4
0.2
0.0
0.52

0.54

0.56

0.58

0.60

ι/2π (0)図３ 真空磁場の中心回転変換値に対する遷移時のトロイダル電流値[1] F. Sano et al., Plasma Fusion Res. 3, 26(2000)[2] N. Kenmochi et al., Review of ScientificInstrument. 85. 11D819 (2014).
[3] N. Kenmochi et al., 2015 Proc. of 42nd EPS
conference p.5.131[4] T. Estrada et al., Nuclear Fusion. 56,026011 (2016)[5] K. Ida et al., Nuclear Fusion. 56, 092001(2016)[6] T. Minami et al., Proc. of 26th IAEA Fusion
Energy Conference