平成26年8月1日ダイバータ及びPWI合同研究会於：筑波大学LHDにおけるダイバータ・3D級場輸送部残LHDダイバータ・周辺プラズマ実験テーマグループ増崎　貴
閉構造ダイバータを用いた周辺粒子制御
放射冷却ダイバータ運転【今回の主な報告】
(課題)粒子制御によりプラズマを高性能化し、(課題)最適条件の探査とエネルギーバランスの定量評価、放射・分光計測の拡充ダイバータ排気特性の評価、及び粒子バランスの理解を得る
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構の解明.
周辺プラズマ中における粒子・不純物輸送の物理機構の解明(課題)周辺プラズマの詳細計測や新規解析手法を取り入れ、粒子・不純物輸送を評価する
Core Density Collapse ( CDC :コア密度崩壊現象)を利用した周辺粒子輸送周辺へリウム輸送実験（九州東海大）
ダストの3次元軌跡. .高速掃引プローブを用いた静電揺動計測放射崩壊機構
ヘリウムビームプローブによる周辺計測

▷2012年
▷2013年
▷ 2014年
> 2010年排気装置を備えない試験的なバッフル造の設置（トロイダル2セクション） ▷排気装置を備えた閉構造ダイバータの設置（トロイダル６セクション） >トロイダル1セクションの排気装置を稼働▷排気装置を備えた閉構造ダイバータの設置（トロイダル1セクション、NBI対向面を兼ねる） ▷新たにトロイダル3セクションの排気装置を稼働>排気速度改善のため、クライオポンプ試験体を用いた排気速度試験を行っている。 ▷第18サイクルに向けて、1セクションに改良型クライオポンプを設置予定。 ✓ 摂動磁場印加による磁気島✓不純物ガスパフ・低密度から高密度まで形成（磁気島デタッチ) ・主プラズマへの不純物混入高密度(>5×10¹9m-³) ・磁場配位依存性・磁気島サイズ依存性・磁場配位依存性✓サーパンスモード・磁場配位依存性・周辺加熱で閉じ込め劣仏⇒ ECH中心加熱による完全デタッチメント(17サイクルに確立)いずれも局所的なダイバータデタッチメントではなく、上流〈周辺プラズマ〉から変化放射損失増大→ダイバータ熱・粒子負荷減少（デタッチメント）
✓放射損失の増大(現状30%⇒80-90%) ✓放射領域の同定とその時間発展✓トロイダル異方性✓安定化機構の解明第17サイクルでの試み✓ダイバータ領域の分光計測✓放射領域の同定✓トロイダル異方性の観測と磁場配位との関連の考察✓摂動磁場印加による安定化機構の考察Experiment shows radiation localization near island X-points as detachment occurs磁気島のX点で放射が増大(局所化)。
Modeling and Experiment – a comparison Carbon  radiation from modeling    Plasma radiation from Experiment General observations • Modeling and experiment – radiation along lower and upper divertor X-point • Power densities from experiment are higher ~ 2.5 times • Overall a good qualitative match
After Detachment
•  Modeling and experiments shows radiation localization near the island X-point towards inboard side •  Modeling - power densities 1.5 times higher than experiments • The change in radiation pattern is similar both in modeling and experiments
放射損失安定維持の配位(磁気軸)依存性✓系統的な磁気軸、LID電流のスキャンを行い、データの拡充を行った。 ／ RMP印加による安定なデタッチメントは磁気島がより大きく、閉じ込め領域と磁気島の距離が離れている場合に実現されている。 ✓閉じ込め領域と磁気島の距離が近づく(3.90 ⇒ 3.80 m)につれて、より大きな摂動磁場強度が必要になる。
▶ Island size (LID current) tance between islamin onfinement region (l ➤ 3.90mと比較し、放射損失の増大がより大きい。 (デタッチ前の約3倍。3.90mでは約2倍） >トロイダル全域にわたってダイバータ粒子束の減少。 >この特徴の理由を周辺部の磁場構造を考慮して解析を進める。より最適な配位の存在の可能性(細かい配位スキャンが必要）
安定ブランチд P rad_ > ()不安定ブランチd Prad_ < 0 d T d T Te ↓, Prad ↓ → T e↑ Te ↓, Prad ↑ → Te ↓放射領域が磁気島(電子温度平坦化)を超えて侵入してきた時、安定ブランチが現れる。 RMPが無い場合は、放射領域が内側に侵入： →磁気島の無い｢滑らかな｣温度分布はデタッチメントの安定化効果が無い→しかし、放射領域の侵入を止める程の安定効果はない✓放射損失の増大(現状30%⇒80-90%) ✓最適運転領域の同定● 放射領域と周辺温度･輸送の関連の解明● 放射に寄与する不純物価数の同定●トロイダル異方性の違い✓放射損失増大の定常維持第17サイクルでの試み✓低Z不純物に加えて、高Z不純物（クリプトン)の使用✓分光計測による放射位置の同定✓ガス種による違い(損失量、トロイダル異方性） ✓配位依存性(運転領域) ✓長時間維持
NBI4秒放電にてKrパフによる熱負荷軽減を試みる。配位は3.60 m, -2.75 T。 . Kr入射により、加熱入射パワーの25％まで放射損失が増大。ただし、ダイバータプローブのlsatの減少は少ない。 .密度はパフ後上昇するが、W 。はほとんど下がらない。 .他の不純物と比較して長い時定数で増大し、パフ停止後もゆっくりと減衰する。 . 1 keV辺りで発光する高価数のKrイオンと、放射損失の波形が類似しており、放射損失変化の大部分をコア領域で発光するイオンが担っている可能性あり。 ⇒周辺で発光するイオン(Ne)とKrを同時入射して放射損失を増やせるのではないか？
放射分布の差分（デタッチ後一デタッチ前）放射はX点付近。Krに比べ、Neではパフ後の(6.5下側)X点付近の放射の増大がより明確に見られる⇒ Krはより内側で放射していることを示唆か。
✓ N,パフ:トロイダル異方性はあるが磁気島デタッチほどではない。左右のタイルで減少量に違いあり。 ✓ Neパフ:トロイダル異方性はない。左右のタイルの非対称性もない。
✓ Krパフ:
現状ではデタッチメントに至っているとは言えない。トロイダル異方性はなさそうだが左右の非対称性はありそう。よりはっきりしたデタッチを起こすことが今後の課題。ネオンパフによるデタッチメントの定常維持•Neパフによるデタッチメントを数秒単位で保持することが目的。 •ネオンパフをパルス状に追加。加熱入力の約2~3割の放射損失を、3.5秒程度安定して保持。 •ネオンパフの有無で、線平均電子密度、蓄積エネルギーに変化は見られず。 •ダイバータへの粒子束は約5~7割に低下。その後、一旦上昇した放射損失が低下すると共に、粒子束は増加してゆく。 ･パルス状パフ量を調整することで、放射損失増大状態の定常維持が可能。
SOLとダイバータレグで同時に3次元輸送シミュレーションを可能にするそれぞれの領域を個別に作成した後、一つのシステムに統合. .局在化しているプラズマと中性ガスの相互作用を含む閉じた系でシミュ●レーションできるようになった。
♦加熱パワー: 8MW, LCFSでの電子密度: 1, 2, 4, 6, 8×10¹9 m -3.電子密度に対する中性ガス圧の依存性閉ダイバータ構造、開ダイバータ構造の配位の違いによらず、実験結果と同じ依存性(スケーリング)が得られた実験・シミュレーションによる中性ガス圧の比較実験で観測された中性粒子圧力と良く一致する第17サイクルのまとめ
✓不純物ガスパフデタッチ
❖高Z不純物としてKrを本格的に使用し始めた。SOXMOS等の分光計測を用いて発光位置の推定を試み、コア領域で高価数のイオンが発光していることが示唆された。 ❖ Neについては、磁場配位、密度への依存性のデータを系統的に取得し、放射損失増大状態の長時間維持にも成功した。 ❖ガス種ごとにトロイダル異方性の有無を確認した。
✓磁気島デタッチ
❖イメージングボロメータ、ダイバータ分光器、静電プローブの整備を進め、摂動磁場印加デタッチメント時の放射領域の同定、時間発展、トロイダル異方性について調べた。 ❖ 幅広い磁場配位でデータを取得し、安定保持機構を摂動法的な観点で考察を進めた。
✓ ECH完全デタッチ
❖ ECHによる中心加熱完全デタッチプラズマを生成し、分布変化による中心加熱の劣化が無ければ良好な閉じ込めを維持できることを実証した。 ❖デタッチとITBの両立という、新しい放電形態を発見した。 ✓数値実験グループとの連携により、LHD開／閉ダイバータ構造を反映した周辺輸送シミュレーション研究が進展した。
✓不純物ガスパフデタッチ
❖ 今後、適用する原子分子モデルを検討し、放射領域の同定や寄与する発光ラインの同定を行う。 ❖ Krは閉じ込め劣化無く比較的コアからの放射を増やすことができているため、実験条件をより詳細に探査すると共に、周辺での放射を増やしているNeとの組み合わせで放射損失の増大を試みる。
✓磁気島デタッチ
❖ 3次元的に計測した放射領域とその時間発展をシミュレーションとの比較を更に進め、エネルギーバランスの評価に繋げる。
✓ ECH完全デタッチ
❖密度や加熱パワーの精査を行い、デタッチメントを定常維持できる条件を探査する。 ✓今後、各デタッチメントの描像から、デタッチメントに関する共通の理解へと結びつけるため、整備された計測を駆使し、解析を進める。 ✓数値シミュレーションを用いて、プラズマや不純物の輸送解析を進める予備資料ダイバータ領域の発光分布計測ファイバー列と視野の関係第17サイクルに向けて行った改造チャンネル数を40ch→130chに増設し、より広域な視野を確保した。放射領域のダイナミクスを観測可能にした。 H 8 :デタッチの進行とともに強度が増加し、径方向内側に移動するH,/H,:デタッチの進行とともに増加し、ほぼLCFSに沿って極大値が分布している
計測・解析の高精度化計測･解析の高精度化核融合炉へ外挿しうる熱負荷軽減運転の確立•十分な放射損失量( ～ 80%) ･定常維持•良好な閉じ込め性能との両立
✓サーパンスモードでは周辺密度増大によるNBIの中心加熱の減少、閉じ込め劣化第17サイクルでの試み✓ ECHによる中心加熱でのデタッチメントの試み✓デタッチプラズマの閉じ込め性能の評価
✓  20からの154 GHz - 300 kW - 10秒入射のECHで一定密度を保持し、放電途中で密度を増加。 ✓ t = 5.2 sにデタッチメントに移行。加熱の追加により、t = 6.1 sで再アタッチ。 ✓トロイダル方向すべての位置でlsatの減少を観測し、完全デタッチメントが達成されている。
完全デタッチ時と(●)、再アタッチ時(○)の密度・温度・ジャイロボーム規格化圧力分布ジャイロボーム規格化圧力分布9.2.4  992.4と仮定し、規格化したもの完全デタッチと再アタッチ時(密度がほぼ同じ場合）では、完全デタッチでの温度が低いが、ジャイロボーム規格化圧力分布は両者ほぼ同じプラズマ小半径がシュリンクしていることを考慮すれば、完全デタッチメントプラズマの閉じ込め性能はアタッチ時と同等で、劣化は無い。
> 154 GHzの中心集光により、温度分布に中心温度のピーキング（＋、電子ITB）コアの電子ITB領域はデタッチ時に若干小さくなるものの(●)、その後の高密度>フェーズでも維持された( O )デタッチメントとITBが両立するこ
17サイクル時のクライオ排気速度試験では、排気速度は約4 m³/sであり、残念ながら必要な性能を満たしていない。また、排気速度に強い圧力依存性が見られているが、R&D試験からは、使用している活性炭の排気容量が少ないことが原因であることを示唆。 . 18サイクルに向け、1セクションにおいて閉ダイバータクライオポンプ活性炭を変更し、高性能化を進めている。R&D試験の結果、既設のクライオポンプを含め、12 m³/s以上の排気速度(17サイクル時の3倍)が得られる予測。 .閉構造ダイバータを用いた周辺粒子制御(課題)粒子制御によりプラズマを高性能化し、ダイバータ排気特性の評価、及び粒子バランスの理解を得る• ECHプラズマでのクライ才排気速度評価• LHDでの粒子バランス評価
閉ダイバータの圧力を、クライオポンプを稼働したセクションと非稼働のセクションで比較ダイバータ圧力範囲：0.05-0.2 Paダイバータへの粒子束で規格化した圧力は、クライオポンプを稼働したセクションが12％程度低くなっているクライオポンプを4セクションで稼働すれば、リサイクリング粒子束が4.8％程度減少していると期待されるが、プラズマへの効0.2果は明確ではない。
全投入水素量に対し、3~4%程度が閉ダイバータクライオで排気されている。局所粒子バランスからは全粒子の4.8%程度が排気と評価できる。周辺プラズマ中における粒子・不純物輸送の物理機構の解明(課題)周辺プラズマの詳細計測や新規解析手法を取り入れ、粒子・不純物輸送を評価するCore Density Collapse ( CDC :コア密度崩壊現象)を利用した周辺粒子輸送周辺へリウム輸送実験（九州東海大） . .ダストの3次元軌跡.高速掃引プローブを用いた静電揺動計測放射崩壊機構. .ストキャスティツク領域の不純物輸送ヘリウムビームプローブによる周辺計測. .固体水素ペレットによる高密度準定常維持.
Case (a) 3次元ダスト軌跡の解析(DUSTTコード)を以下の二つの状況で実施(a)鉄イオンが上側内側ダイバータ板のストライクポイントから5 m/sの速度で放出(b)カーボンが上部ポートダイバータ板から自由落下
小さなサイズのダストはダイバータへのプラズマフローにより掃出され、中程度のサイズでは、ダイバータレグを通過して運搬される。大きなダストは主プラズマに侵入してゆく。