トロイダル核融合プラズマにおける信頼性あるプラズマ着火の物理過程に関する研究

环形聚变等离子体可靠等离子体点火物理过程研究

基本信息

批准号：
14J03037
负责人：
羽田和慶
金额：
$ 1.22万
依托单位：
Kyoto University
依托单位国家：
日本
项目类别：
Grant-in-Aid for JSPS Fellows
财政年份：
2014
资助国家：
日本
起止时间：
2014-04-25 至 2016-03-31
项目状态：
已结题

项目摘要

近年、ヘリカル型プラズマ実験装置において、運転領域の拡大を目指し中性粒子入射（NBI）加熱を用いたプラズマ着火が注目を集めている。京都大学のヘリカル装置ヘリオトロンJでは、従来の70GHz第2次高調波X-mode ECRHを用いた場合はトロイダル磁場が1.25Tに制限されてしまう。しかし、NBI加熱を用いたプラズマ着火では、0.63-1.25Tまでの運転領域の拡大が確認されている。ヘリオトロンJでは、NBIのプラズマとの接続長が短いため、あらかじめ2.45GHzマイクロ波によりシードプラズマを生成し、そこにNBを入射しプラズマ着火を行う。本研究では、ヘリカル装置においてNBI加熱による信頼性あるプラズマ着火の条件・物理過程を求めることを目的としている。第2年度目の研究では、昨年度行えなかった、NBIパワーに対するプラズマ着火の依存性を調べるためプラズマ着火実験を行った。NBIパワーをおよそ400 kWから100 kW程度まで減少させたところ、NBIパワーがおよそ200 kWでプラズマが着火しなくなり、NBIパワーにしきい値が観測された。本年度は、解析対象の粒子を原子から分子に拡張し、中性粒子遮蔽を取り入れた。数値解析結果と実験との比較を行った。実験より得られたプラズマの電子密度、蓄積エネルギー及びOVの発光強度の時間発展を再現するように粒子及びエネルギー閉じ込め時間を設定した。このパラメータを用いて、プラズマ着火のNBIパワーに対する依存性などの実験結果を数値解析により再現した。本モデルにより、NBIプラズマ着火には、(1)高速水素イオンの生成、(2)高速水素イオンによる電子の加熱、(3)電子による追加のガスパフの電離・解離の3要素が重要で、これらの正のフィードバックがプラズマ着火の支配的な物理機構であることが判明した。

近年来，为了扩大工作范围，使用中性粒子注入（NBI）加热的等离子体点火在螺旋等离子体实验设备中引起了人们的关注。在京都大学的螺旋装置Heliotron J中，当使用传统的70GHz二次谐波X模式ECRH时，环形磁场被限制为1.25T。然而，使用NBI加热的等离子点火已被证实将工作范围扩大到0.63-1.25T。在Heliotron J中，由于与NBI等离子体的连接长度较短，因此使用2.45GHz微波预先生成种子等离子体，并将NB注入其中以点燃等离子体。本研究的目的是寻找在螺旋装置中通过 NBI 加热实现可靠等离子体点火的条件和物理过程。在研究的第二年，我们进行了等离子体点火实验，以研究等离子体点火对NBI功率的依赖性，这是我们去年无法做到的。当NBI功率从约400kW减小到约100kW时，当NBI功率为约200kW时等离子体停止点燃，并且在NBI功率中观察到阈值。今年，我们将分析的粒子范围从原子扩大到分子，并纳入了中性粒子屏蔽。将数值分析结果与实验结果进行了比较。设置粒子和能量限制时间以重现从实验中获得的等离子体电子密度、存储能量和 OV 发射强度的时间演变。使用这些参数，我们通过数值分析重现了实验结果，例如等离子体点火对 NBI 功率的依赖性。该模型表明，三个要素对于 NBI 等离子体点火很重要：(1) 快速氢离子的产生，(2) 快速氢离子对电子的加热，以及 (3) 电子对附加气体喷流的电离/离解。正反馈是等离子体点火的主要物理机制。