⾼度な乱流揺動計測の開発とそれを⽤いた乱流輸送研究(UT25 トロイダルプラズマの輸送研究による閉じ込め概念の⼀般化)

核融合研

⽥中謙治
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位相コントラストイメージング(phase contrast imaging; PCI)により微⼩な乱流の計測が可能。

qsLveif » 1 + if

1 + if ® 1 + f(1 + f )2» 1 + 2f

ただし、計測対象となる乱流に対しては散乱体積⻑が数mになりビーム軸⽅向の空間分布が得られない。
乱流の空間構造を明らかにするにはビーム軸⽅向の空間分解能を取得することが必要。
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乱流の強い⾮対称性と磁⼒線のねじれを利⽤し、⼆次元検出器を⽤いた空間分布計測

⼆次元位相コントラストイメージング
Two dimensional Phase contrast imaging 2D-PCI （K. Tanaka et al RSI2008）
6040q20r;規格化空間位置0-20-40

⼆次元検出器で積分像を計測-60-10Z or r1

乱流の進⾏⾓度qは磁⼒線の⽅向に垂直。
ky2qk = kx + k y(q1,k1)

2kx

ækèöxøq = tan -1 ç y k ÷
直交座標系S(kx,ky)
空間的フーリエ変換
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極座標系S(k,q)→S(k,r)へ磁⼒線の報告はビーム軸にそって空間的にmonotonicに変化する。
乱流の進⾏⽅向をビーム軸⽅向の位置に置き換えることができる。
3e19-3n (x10 m )e10543210i02T (keV)1543210i

19-32T (keV)

n (x10 m )イオン加熱によりイオン温度が上昇したときの乱流の空間構造の変化
イオン温度が上昇すると乱流のピークが周辺から内部領域に移った。
この乱流計測(K. Tanaka et al,Plasma Fusion Res. 2010)を契機にシミュレーションの研究が⼤きく進展した。
Nunami et al, Plasma Fusion Res.
2011
Nunami et al, Phys. of Plasma
2012
Ishizawa et al, Nuclear Fusion
2015
時間連続的計測も可能。
同位体効果、同位体ミキシング、デタッチプラズマでの乱流spreading, ボロンパウダーによる乱流抑制などの理解に貢献
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PCIを⽤いた乱流駆動輸送の研究の研究プラットホーム
1. JT-60SA
接線視野を⽤いる（垂直視野では磁⼒線の⾓度変化が⼩さい）。→データ解釈が複雑。
すでにEuroFusionとの共同研究を開始している。
科研費基盤A採択済み。
ターゲットは電⼦加熱下の輸送、⾼速イオンと乱流の相互作⽤
2. LHD 0.5Tターゲットは⾼速イオンと乱流の相互作⽤
3. W7-Xとの⽐較
IPPによるPCIが稼働中→同じ条件下でどちらの揺動が強い？
シミュレーションはW7Xの⽅がはるかに強いことを⽰唆（Warmer,Tanaka et al PRL 2021）。
最適化配位のための知⾒の獲得を⽬指す。
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S. Coda et al, NF2021
JT-60SAでのPCIの視線

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本研究を計測データユニットで実施する意義
信念１

優れた計測があれば、優れた物理結果は確実に得られる。

信念２ 乱流計測はシミュレーションの検証をするだけでなく、シミュレーションが予測しない物理現象を⾒出すべき。
信念１のためには計測、データ解析の専⾨家と共同研究を⾏う。専⾨家が集結した本ユニットで⾏うのが最適
JT-60SAでは接線視野による新たな解釈の難しさがある。
磁⼒線の⾓度が90度以上変わり⾓度と空間位置の関係が⼀価関数でない。
さらには磁気シアの符号が変わる場合のデータの解釈のいついてレーザー計測の専⾨家だけダンク、MHD平衡、データ駆動の専⾨家との共同研究により計測の⾼度化を実現
⼆次元計測１台と１次元計測２台を併⽤。JT-60SAではパス⻑が10m程度あり焦点深度の効果を使うことができる。
信念２のためには乱流駆動物理の理解のために国内外の研究者（理論、実験）および他のユニットと連携。
シミュレーションの検証をするとともにシミュレーションの限界を明らかにする。
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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。

計測技術をきっかけとして他分野との連携→容易ではない。今後１０年間で他分野との共同研究を⽬指す。
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(1953年 ノーベル物理学賞）
光学素⼦により𝑒 !" ≈ 1 + iϕ

上⽪細胞
ルビーザーによるプラズマの像の計測p/2の初期位相1+ϕを与える。

Weisen 1986

1 + 𝜙 # ~1 + 2𝜙
微⼩位相変化(if)を強度変化(2f)に変換

光学顕微鏡Talbot効果

1 𝜆#$
焦点深度 =
2 𝜆!

振幅、位相CO2レーザーを⽤いたプラズマ中の乱流計測

位相差顕微鏡lp;被測定対象の波⻑
Talbot効果
li;光源波⻑
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振幅から周期的に表れる。
結像⾯からの距離

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透過型で軸⽅向空間分解の取得の可能性→通常の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。

光源の波⻑、測定対象を変えて他の分野への適⽤⻑いパス⻑~10mを持つ
JT-60SAへの適⽤

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U-25（トロイダルプラズマの輸送研究による閉じ込め概念の⼀般化）コメントに対する答え

核融合科学研究所の学術研究の中⼼テーマは、「トーラスプラズマの総合的理解」
であり、創設以来、すでに⻑く⾏われ⼤きな成果が上がってきた。それと⽐べてどのような（より⼤きな？）進展をもたらす未踏の研究が展開できるのか説明されていない。
コメントに対する答え
トーラスプラズマの総合理解ということが核融合研の設⽴時に⽬標とされているが、これについては提案者は⼗分な成果を上げていないと考えている。LHDで⾏われたのはLHDの物理であり、トーラスプラズマの総合理解ということであればLHDだけでなく他の装置でも実験を⾏い、他の装置とLHDの結果を⽐較して初めて知⾒を得ることができる。本提案でトカマクにおける研究、W７Xとの⽐較を重視しているのは、これまでの核融合研の研究と異なり、他の装置との⽐較においてトーラスプラズマの総合理解を⽬指すためである。

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予備スライド

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信号の解析⼿順
(b)

乱流の⼆次元波数数スペクトル

(a)
乱流の積分
⼆次元像

空間的フーリエ変換
(c)

(d)

60(e)

40q20
0-20-40-60

直交座標系⼆次元波数スペク
トルを極座標波数に変換-10Z or r

1r;規格化空間位置進⾏⽅向を空間位置に変換

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波数を位相速度に変換
102D-PCIシステム全体図

結像光学系

位相差板
6x8=48ch
⼆次元検出器CO2レーザーは⼲渉計⽤のレーザーのパワーを⼀部分岐して⾏う。
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乱流の空間構造を時間連続的に計測することが可能

S(V,r)
60

Lower e-dia.

40Upper i-dia.

q200-20

Lower i-dia.

-40-60Upper e-dia.
-10r1

磁⼒線の⾓度の変化

計測断⾯積

プラズマの内部領域と周辺領域では進⾏⽅向が反転している。

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PCIによる乱流揺動の時間変化計測

乱流揺動振幅、乱流位相速度(~ExBポロイダル回転速度)のほぼい全ての空間領域における時間変化計測が可能。

イオン温度の増加に伴い乱流のピークが移動したというよりは周辺の乱流が消失し、内部の乱流が励起されたと考えるべきでは？

K. Tanaka et al PFR2010
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