高性能核融合炉心プラズマ維持のための多種不純物輸送制御に関する研究

维持高性能聚变堆芯等离子体的多杂质输运控制研究

基本信息

批准号：
19K14695
负责人：
矢本昌平
金额：
$ 1.91万
依托单位：
National Institutes for Quantum Science and Technology
依托单位国家：
日本
项目类别：
Grant-in-Aid for Early-Career Scientists
财政年份：
2019
资助国家：
日本
起止时间：
2019-04-01 至 2024-03-31
项目状态：
已结题

来源：
https://kaken.nii.ac.jp/en/grant/KAKENHI-PROJECT-19K14695/
关键词：
核融合境界層プラズマ不純物シミュレーションモデリング

项目摘要

本研究は、JT-60Uにおけるネオン(Ne)・アルゴン(Ar)等多種類の希ガス不純物の入射実験の数値シミュレーション解析を通じてプラズマ-不純物間の非線形な相互作用とその特性を明らかにし、JT-60SA、ITER、原型炉の運転に向けた不純物輸送制御手法を確立することを目的としている。令和4年度は、令和3年度に実施したSONICコードによるJT-60SAでのAr+Ne混合不純物入射時の過渡解析を、さらに詳細に実施した。この計算では、Ar不純物を定常的に入射しているプラズマに追加でNeを入射し、炉心プラズマ性能に影響の大きいArイオンの炉心への侵入が遮蔽される時間的振る舞いの過渡解析を行なった。Arイオンは重水素(D)イオンの流れに起因する摩擦力と、温度勾配に起因する熱力とのバランスで輸送方向が決まり、Ar単体入射時は強い熱力によりArイオンは境界層プラズマ(SOL)上流に滞留している。ここにNeを追加入射すると、Neは熱力の違いから内側ダイバータ X点近くに滞留する。その結果X点近傍でのNeの放射パワーが増大し、Arによる放射パワーが弱い領域のプラズマを冷却する。プラズマの温度が下がることで、X点近くのプラズマの圧力が下がり、SOL上流での圧力との差が広がる。この圧力の差で内側ダイバータへ向かうDイオンの流れが駆動される。ArイオンはこのDイオンの流れとの摩擦に引きずられ、SOL上流からX点近傍に運ばれる。その結果Arイオンがさらにプラズマを冷却することで一層圧力が下がり、さらにDイオンの流れが加速される。このDイオンの加速により生じる強い摩擦力が、ArをSOL上流から押し流し、炉心へのAr侵入が遮蔽されることが分かった。本成果はNe追加入射によるSOLでのAr遮蔽効果の機構を世界で初めて明らかにしたもので、プラズマ・不純物輸送の時間的制御手法の開発に指針を与える成果である。

在这项研究中，我们通过对JT-60U中氖（Ne）和氩（Ar）等各种稀有气体杂质的注入实验进行数值模拟分析，阐明了等离子体与杂质之间的非线性相互作用及其特征，目的是建立杂质。 60SA、ITER 和 DEMO 反应堆运行的传输控制方法。在 2020 财年，我们使用 SONIC 代码对 JT-60SA 上的 Ar+Ne 混合杂质注入进行了更详细的瞬态分析，该分析是在 2021 财年进行的。在该计算中，另外将Ne注入到定期注入Ar杂质的等离子体中，并对时间行为进行了瞬态分析，其中Ar离子进入核心，这对核心等离子体性能有很大影响，被阻止了。 Ar 离子的传输方向由氘 (D) 离子流动引起的摩擦力与温度梯度引起的热力之间的平衡决定，当单独有 Ar 入射时，强热力使 Ar 离子形成边界层等离子体（SOL），它停留在上游。当额外的氖注入此处时，由于热力的差异，氖停留在内偏滤器的X点附近。结果，X点附近的Ne辐射功率增加，Ar辐射功率弱的区域中的等离子体被冷却。随着等离子体温度的降低，X点附近等离子体的压力降低，与SOL上游压力的差值增大。该压力差驱动 D 离子流向内偏滤器。 Ar 离子通过与 D 离子流的摩擦而被拖动，并从 SOL 的上游传输到 X 点附近。结果，Ar离子进一步冷却等离子体，进一步降低压力并进一步加速D离子的流动。研究发现，D离子加速产生的强大摩擦力将Ar从SOL上游扫走，阻止Ar进入核心。该结果在国际上首次阐明了由于额外的Ne注入而在SOL中产生Ar屏蔽效应的机制，并为等离子体和杂质传输的时间控制方法的开发提供了指导。