No. 25 トロイダルプラズマの輸送の総合理解
提案者

田中謙治

本ユニットの取り組む研究テーマ
下記の二つの研究テーマに集中的に取り組む。
1. 電子加熱下における外部加熱を用いないイオン加熱
2. ヘリカル・ステラレーターにおける輸送の最適化
具体的なアクションプラン
国内外の閉じ込め装置において共同研究者として参加
物理実験に参加するだけでなく、計測、加熱、制御装置の設置など研究に必要なハードウエアの設置も行い、これらの機器を用いて実験に参加する。
LHDの機器の移設も必要に応じて行う。
令和３年６月7日 ユニット構築会議

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研究テーマ１ 電子加熱下における外部加熱を用いないイオン加熱

Beurskens, Tanaka 2020-2021 22nd LHD exp.

Beurskens (FEC2020)

LHD

Pi大

Pe大

Pe大

Pi大

核融合炉ではα加熱は電子加熱、外部イオン加熱は困難（特に中心領域）

Pe大

どうやってTe/Tiを下げる。

Te/Tiを下げればイオン温度は上がる。
（LHD HighTi実験の遺伝子）一点突破全面展開となる研究テーマ

Pi大

電子加熱下でのイオン温度上昇リミット（Ti clamp）は閉じ込め配位によらない共通な現象

ITPA, TTFなどでworking groupを結成
して国際的な研究グループを組織i) ペデスタル温度の上昇→エッジ物理ii) 乱流の低減によるイオン温度増加のパス→輸送物理iii) αチャネリング→高エネルギー粒子駆動不安定性
この分野の研究を世界的にリード

令和３年６月7日 ユニット構築会議

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研究テーマ１の核融合分野の知見を超えた一般化

非Maxwellianの高エネル
ギーイオン

微視的乱流による温度上昇の制限

粒子間衝突による散逸

粒子間衝突による散逸
Maxwellian化した高い電子温度

αチャネリング

Maxwellian化した低いイオン温度

不安定性を介したバイパス

事象を一般化して同様の類似した物理現象をほかの分野から探る。
→エネルギーの移行過程のマルチパス→他の分野でも同様の現象はあるか？
令和３年６月7日 ユニット構築会議

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研究テーマ２ ヘリカル/ステラレーター装置における輸送の最適化
LHD-W7Xの比較を中心とする。
プラズマサイズが同程度加熱パワーもおよそ揃えることができる。同程度の温度、密度を達成できるので定量比較が可能。
実験結果に基づく明確な比較が可能。
装置の優劣を競うのではなく、磁場配位がどのように輸送、巨視的、微視的不安定性に寄与するかを定量的に明らかにする。

Te,Ti分布の違いは異なるペデスタル、異なる敷居温度勾配を持つプラズマとしても比較可能。

比較実験を通じて５年以内に乱流駆動輸送の磁場配位効果について明確な結論を出す。

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研究テーマ２の核融合分野を超えた一般化

他律的な外部構造*（閉じ込め磁場）

自律的な内部構造（プラズマ分布および不安定性）

支配している物理
散逸、拡散、反磁性、エネル
ギー等分配、カスケード、逆カスケード….

磁場配位効果を他律的な外部構造がどのように自律的な構造形成に影響をおよぼすかという構造形成の物理学と考える。
→他の分野でも類似した現象はあるか?

*トカマクの場合は半他律、半自律

令和３年６月7日 ユニット構築会議

5実験手法について他分野への波及または他分野からの波及を探る。
計測、または加熱などノウハウを持つ技術をきっかけとして他分野との連携を探れないか？
具体例

位相差（phase contrast）顕微鏡のプラズマ計測への適用

Zernike(1935)による位相差顕微鏡の発明
光学素子により𝑒𝑒 𝑖𝑖𝜙𝜙 ≈ 1 + iϕ

上皮細胞

ルビーザーによるプラズマの像の計測π/2の初期位相1+ϕを与える。

1 + 𝜙𝜙 2 ~1 + 2𝜙𝜙

振幅、位相微小位相変化(iφ)を強度変化(2φ)に変換
1 𝜆𝜆2𝑝𝑝
焦点深度 =2 𝜆𝜆𝑖𝑖

光学顕微鏡

CO2レーザーを用いたプラズマ中の乱流計測
Weisen 1986

位相差顕微鏡λp;被測定対象の波長Talbot効果
λi;光源波長波または回折格
位相子などの周期的な物体の強度及び位相は結像面から周期的に表振幅れる。
結像面からの距離透過型で軸方向空間分解の取得の可能性→プラズマの揺動では焦点深度～mで。
十分な分解能を取得できない。

令和３年６月7日 ユニット構築会議

光源の波長、測定対象を変えて他の分野への適用

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研究の一般化と展開

磁場閉じ込
めプラズマ
トカマク

エネルギー移行のマルチパス

ヘリカル

実験手法の他分野への適用、または他分野からの適用

構造形成の物理学一般化と展開にに必要な他分野との連携については、まずは情報収集から始める。
令和３年６月7日 ユニット構築会議

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予備スライド

令和３年６月7日 ユニット構築会議

8知見の一般化と体系化に向けて他分野
磁場閉じ込
めプラズマ
研究所の競争力を維持するには必要

トカマク

ヘリカル

まずは情報収集
核融合関連以外の学会、研究会への参加、研究所一般公開への参加
エフォート１０％

次期装置
インスピレーションの元になるのでは？
教育

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9乱流駆動輸送の研究の現状と今後の展開
正攻法
シミュレーション
コードの高精度化

輸送実験結果

核融合炉運転の予測検証を進めたのち簡約化したモデルを構築

正攻法を追求することは正しい。
学術的価値もある。

揺動計測は必須ではない。
コード開発と膨大な計算時間が必要。限界があるか？

限界を超えた輸送研究の新展開
新しい知見は理論と実験が一致しないとこから生まれるのでは？。

揺動計測がカギとなる。?

アクションプランは？
理論家に考えてもらう？
実験家が理屈を考える。 ？
理論家をattractするような結果を示す。
ただし、取捨選択も必要か？

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10ユニット化の意義
研究グループを組織することにより共同実験、共同研究を効率よく行う。
グループで取り組むことにより、人脈は広げることができる。ユニット化により情報を共有（各装置における研究のキーパーソン、参加手順など、装置の稼働状況、加熱、計測装置の整備状況）
研究参加においては“ウリ”が必要。すでに取り組んでいる主要テーマの参入は難しいかも。
新しい研究テーマ、自分の今までの経験を生かす。情報交換により参加できるところを紹介。
これらの参加ノウハウを所外の研究者にも広める。
共同研究に関する情報の一例
JET
研究グループは各研究テーマごとに主に欧州の共同研究者で構成。明確なホームチームがない。
2021年よりT実験、その後DT実験を行う予定。DT実験を再度行う可能性もある。NIFSおよび大学からは”核融合に関する日欧協定”を通じて参加可能
TCV
共同研究者に入れば比較的実験に参加しやすい。計測、加熱、解析コードも比較的整備されている。ただし、解析コードを扱うにはMatlabをある程度習熟することが必要。実験テーマは年度ごとに募集した後は実施日については明確な決定はしない。前週に実験希望を出し、実験リーダーが決定
JT60-SA
機器の設置に関しては計測責任者（仲野さん）、物理実験責任者（吉田さん）との綿密な調整が必要。
令和３年６月7日 ユニット構築会議

11Phase contrast techniques is developed to observe transparent phase object by Zernike(1935) and is widely used in biology field

e iφ ≈ 1 + i φ
Without phase plate

1 + iφ → 1 + φ

With phase plate

π/2 phase difference between
scattered and transmitted light.
This converts phasemodulation to intensity
modulation

Image of epithelial cell(1 + φ )2
≈ 1 + 2φPhase plate gives π/2 phase difference between non scattered and scattered components
stably and reliably

θsLv

e iφ ≈ 1 + i φ

1 + iφ → 1 + φ(1 + φ )2≈ 1 + 2φFor kp=1mm-1 (λp=6.2mm) with 10.6µm CO2 laser, θs becomes
1.7mrad. For beam size 10mm, Lv becomes 17m. Scattering volume
is much larger than plasma size.

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