J. Plasma Fusion Res. Vol.91, No.4 (2015)２６５‐２７０小特集トレーサー内蔵ペレット（TESPEL）による磁場閉じ込め高温プラズマ研究の進展３．TESPEL を用いた不純物輸送研究の進展 3. Progress of Impurity Transport Study with the TESPEL 須藤滋１，２） SUDO Shigeru １）核融合科学研究所，２）総合研究大学院大学物理科学研究科（原稿受付：２０１４年１２月１９日）トレーサー内蔵固体ペレット（Tracer-Encapsulated Solid Pellet: TESPEL）によりトレーサー粒子をプラズマ中に局所的に注入し，これを追跡することで不純物輸送について調べた．この TESPEL の特徴であるトレーサー粒子をプラズマ中に局所的に注入できる長所を生かすことにより新しい発見があった．即ち，プラズマ周辺部で不純物の遮蔽が起きているような高い密度のプラズマの場合にはプラズマ中の不純物密度が極めて低く，高密度プラズマでは不純物の問題はないかに考えられていたが，TESPEL を用いた実験により，高密度プラズマの場合にはよりトレーサーが長時間保持されることが初めてわかった．そして，不純物の輸送が不純物源の位置およびプラズマの密度（衝突周波数）に依存することがわかった．ヘリカル系では密度が高い方がバルクプラズマのエネルギー閉じ込め性能がよくなる傾向にあるので，高密度プラズマでの不純物の振る舞いの理解が重要であり，その制御法が期待される．また，ダイバータへの熱負荷をできるだけ軽減する観点から，プラズマ周辺部で不純物を局所的に滞留させ熱を放射光に変換する可能性も期待される． Keywords: TESPEL, LHD, impurity transport, tracer, plasma diagnostics ３．１はじめにり，レーザーブローオフ法や不純物ガスパフ法と違って直プラズマ中の不純物の振る舞いはトカマクやヘリカル系接的にプラズマ内部に不純物を注入できることなどの長所など磁場閉じ込め装置において多くの研究者によって調べがある．その TESPEL 製造法については第２章で詳しく述られてきた．これは，プラズマ中で不純物が蓄積するとそべた．本章では TESPEL を用いた不純物輸送の研究成果にの不純物による放射損失のためにプラズマの温度が低下ついて述べる．TESPEL を用いたプラズマ中での粒子の輸し，核融合反応率が落ちて核融合炉として成立しなくなる送計測の原理と TESPEL 構造の概念図を図１に示す［１］．恐れがあること，また不純物や核融合反応生成物であるヘここで TESPEL を用いた不純物輸送計測においてまずリウム灰がプラズマ中に溜まってくると核融合反応を起こ明確にしておくべきことがある．それは，調べようとするすべき燃料粒子が希薄化して，核融合反応量が減ってしまプラズマに対して比較的擾乱が少ないことである．うなどの問題が生じるからである．一方で，ダイバータへ TESPEL の外層部の直径は通常 500∼900 μm（特に浅い侵の熱負荷をできるだけ軽減する必要があるが，不純物をプ入長を目標とする場合には 400 μm 程度まで）の範囲であラズマ周辺部に局在化させて，ダイバータへ流れ込む熱をり，その TESPEL 内に装填するトレーサー粒子数は１０１７個不純物による放射損失に変換できれば，ダイバータへの熱程度である．これはバルクプラズマ粒子（すなわち電子と負荷を減らせる可能性がある．この時にその不純物がプラ通常陽子）の数量より４桁程度少ない．一方で，TESPEL ズマ中心部に向かわないよう制御できることが望ましい．の外層部はポリスチレンであり，これは炭素と水素のみでこのように核融合炉の実現のためには不純物の輸送を十分生成されるポリマーで，例えば典型的なサイズとして直径に理解することが大変重要である．しかし，不純物輸送が 720 μm とすると，炭素と水素ともに１×１０１９個である．通未だ十分解明されているとは言い難く，そこで不純物の輸常のプラズマパラメータでは炭素と水素ともに完全電離す送研究を更に進展させるため，我々はトレーサー内蔵固体るから，LHD において TESPEL により増加する平均電子ペレット（Tracer-Encapsulated Solid Pellet: TESPEL）を密度の上昇は 0.2×1019 m−3 であり，本章で主として扱うプ用いて不純物粒子の初期位置にも注目しながら研究を行っラズマの電子密度より１桁以上低い値となっている．まてきたので，ここに主として LHD での実験結果とその解た，密度の上昇の原因はトレーサー粒子によるものではな析結果をまとめることとしたい．く，主として炭素に由来するものである．擾乱が比較的小さい中でトレーサー粒子の発光線（!!線や Li-like，Be-like TESPEL の特徴は１章の「はじめに」に記した通りであ National Institute for Fusion Science, Toki, GIFU 509-5292, Japan author’s e-mail: [email protected] ２６５ !2015 The Japan Society of Plasma Science and Nuclear Fusion Research Journal of Plasma and Fusion Research Vol.91, No.4 April 2015 バーできるので，トレーサーである V，Mn，Co の Li-like 線を同時に計測（V XXI 24.04 nm， Mn XXIII 24.04 nm， Co XXV 17.82 nm）できる．さらに Fe の Li-like 線（Fe XXIV 19.2 nm）もこの波長範囲に含まれている．LHD プラズマの電子温度領域では，"!線が主としてプラズマコア部からの発光であるのに対して，Li-like や Be-like 線など真空紫外域のライン光は主としてプラズマ周辺部からの発光である．３．３実験結果初期の実験において，チタン（Ti）をトレーサーとして計 3.2 MW の NBI のバランス入射加熱プラズマにおいて入射実験を実施し，チタントレーサーの入射後の Ti "!線の減衰特性時間を測定した．そして，その密度依存性を図２にまとめている［７］．明らかにチタンの保持時間がプラズマ密度の上昇とともに増加している．最近の 20 MW レベルの NBI 加熱プラズマにおいて中程度の密度と高密度のプラズマにおいて，V，Mn，Co の３種のトレーサーを入射した場合の実験結果を図３に示す［１］．磁場強度は !!2.75 T で，磁気軸位置は ##%!3.6 m である．図３（a）に高密度（%$!6.6×1019 m−3）および中密度（%$!3.4×1019 m−3）の２種類の場合の電子密度の時間図１（a） TESPEL 計測の原理（b） TESPEL の構造の概念図（参考文献１の Fig. 1 を引用）．変化を示している．TESPEL 入射のタイミングの &!3.69 s 付近でも密度上昇はわずかであるのがわかる．また，ト線など）が，後で述べるように十分な S/N 比を以て観測でレーサーからの発光を観測しているフェーズではほぼ密度きている．さらには同時に３種類程度のトレーサー粒子をは一定となっている．中心電子温度は高密度の場合装填することもできるので，同一のプラズマで電荷の異な $$" !# !# !1.8 keV，中密度の場合 $$" !3.2 keV となっている輸送特性を比べることができるといった特徴もあるる．なお，電子温度と電子密度の積である電子の圧力分布で見ると両ケースでほぼ同程度になっている．この高密度［２，３］．（衝突周波数では Pfirsch-Schlüter（PS）領域）と中密度３．２計測システム（衝突周波数では Plateau 領域）の場合のトレーサー Co２５＋ TESPEL 入射装置については参考文献［１］に記述されてイオン密度の空間分布の時間変化を STRAHL コード［８］でいる．典型的には４００m/s 程度の速度の TESPEL によりプ計算した結果を図３（b）に示す［９］．ここで，拡散係数 " ラズマ中に注入したトレーサーの追跡は，"!線を 20− の値は空間的に一様と仮定し，高密度の時には 50 ms 程度の時間分解能且つ２５０eV 程度のエネルギー分解能を有する X 線 PHA（pulse height analysis：波高分析器）システム［４］で観測し，Li-like や Be-like 線など真空紫外域のライン光を 50 ms 程度の時間分解能を有する高波長分解能のマルチチャンネル分光器である SOXMOS ［５，６］で計測した．関連するトレーサーの元素の原子番号と "!線のエネルギーを表１に示す．真空容器構造材料のステンレスの成分である Cr，Fe，Ni はプラズマ中に元来含まれるもので，これも併せて示してある．表からわかるように例えば Fe は Mn と Co の間に挟まれているので，注入量のわかっているトレーサー粒子である Mn と Co の発光強度と Fe の発光強度の比較から Fe の量を推定することができる図２［２］．また，Ar はガスパフで使用し，Cl は後述するように TESPEL のシェルに含有させてそれを追跡した．Ti（チタチタントレーサーの入射後の Ti K!線の減衰特性時間の密度依存性．（参考文献［７］の Fig. 4(a)を引用）．表１ン）はチタンゲッターでも使われているものであるが，バックグラウンドとして小さいとみなせる程度の発光強度 Z Atom Ka (keV) の場合には，トレーサー粒子としても用いている． SOXMOSにおいては，例えば15−27 nmを１ショットでカ２６６本章で関連する各元素の K!線のエネルギー．１７ Cl 2.6 １８ Ar 3.0 ２２ Ti 4.5 ２３ V 5.0 ２４ Cr 5.4 ２５ Mn 5.9 ２６ Fe 6.4 ２７ Co 6.9 ２８ Ni 7.5 Special Topic Article 3. Progress of Impurity Transport Study with the TESPEL S. Sudo !!0.1 m2/s，中密度の時には !!0.2 m2/s としている．対り詳細な空間分布の実験データが望ましく，これに向けた ! $で"!−2 m/s，流速度 V は内向きで両ケースともに#!! １００チャンネルレベルの PHA 素子をもつ計測器を開発中で #!! ! ! #と #!" !で"!0 m/s 且つこれらの点を直線で結んある．図４（a）は PHA システムによる X 線エネルギースペだものとして対流速度を与えている．この２種類のプラズクトルで，トレーサーおよび壁由来の不純物からの %"線マにおいて V，Mn，Co の %"線の発光強度の時間変化を図強度を示している．中密度の時には明確に観測されていた３（c）に示す．マーカーで示したものが PHA システムで計鉄など壁由来の不純物が高密度の場合には完全に抑制され測した %"線強度の実測データで，明らかに高密度の時にているのがわかる．しかも，高密度の場合にはトレーサーは中密度の場合に比べて減衰時間が長くなっている．まであるV，Mn，Coの３種類の%"線強度が強くなっていて，た，V，Mn，Co の３種類についてはほとんど時間変化に差電子温度の低下によって壁由来の不純物の %"線強度が抑がないこともわかる（#!3.9 s近辺で強度の規格化をしてい制されているという可能性を排除できる．また，SOXMOS る）．実線で示したものは，上記 STRAHL コードで計算しシステムで計測した V，Mn，Co および壁由来の Fe の Li た各場所での emissivity を視線方向に積分した値であ -like 線の plateau と PS の場合をそれぞれ図４（b），（c）に示る．Plateau の場合にはほぼ時間変化が合っているが，PS している．TESPEL 入射前の #!3.65 s と入射後の #!3.85 s では実験値の方がより減衰がゆっくりしているように見える．この差を調べるには今後より長いプラズマ運転時間で減衰の比較をする必要がある．また，拡散係数 D の空間分布について実験データと計算との比較を行うためには，よ図３（a） NBI 加熱プラズマの２種類の電子密度の時間変化．（参考文献［３］の Fig. 2(a)を引用．（）b）高密度（PS）と中密度（Plateau）の場合のトレーサー Co25＋イオン密度の空間分布の時間変化．（c） V,Mn,Co の３種のトレーサーからの K" 線の発光強度の時間変化．（参考文献［１］の Fig. 8 を引用．）図４（a）トレーサーおよび壁由来の不純物からの K"線強度．（参考文献［１］の Fig. 6を引用．）ボックスはトレーサー粒子の K"線のエネルギー位置を示す．SOXMOS システムで計測した Li-like 線の（b） plateau と（c） PS の場合．２６７ Journal of Plasma and Fusion Research Vol.91, No.4 April 2015 上げれば，より詳細な測定が可能となる．の場合を示している．PS の場合の方が V，Mn，Co の Lilike 線強度は増加している（任意単位であるが，（b）と（c）３．４炉における不純物制御の縦軸の相対値は比例していて両者の比較は可能）が，PS 比較的密度が低くイオン温度勾配が急峻な場合には不純の場合，Fe の Li-like 線強度は低い． PS 領域では壁由来の鉄不純物がプラズマ中に蓄積しな物ホールという現象が LHD では観測されていて不純物のいことは既に知られていた［１０］が，この TESPEL による実排出が強く起こり，核融合炉として魅力的であるが，ヘリ験でプラズマ中に注入した不純物は長時間閉じ込められるカル系ではエネルギーの閉じ込めスケーリングが密度のことを実験的に初めて示したものである．さらに TESPEL 1/2 乗程度に比例するので，閉じ込め性能との両立が課題入射と Ar ガスパフを同時に行い，壁由来の不純物発生量である．一方で，高密度のモードではエネルギー閉じ込めによらず，一定量の Ar ガスパフで比較し，plateau の時にが有利になり，また壁由来の不純物が高密度で遮蔽されるは Ar '"線が観測されるのに対して，PS 領域では Ar '" ので，これはヘリカル系にとっては，不純物の侵入の抑制線が観測されず，プラズマ外から不純物がコア部へ侵入すと閉じ込め改善の両立ということで大変望ましいことであるのを遮蔽する機構が働いていることを明確に示したる．但し，TESPEL 実験の示すところは，図６に示すよう［３］．詳細は参考文献［１１］に譲るが，ヘリカル系ではプラに不純物とバルクイオンの衝突周波数や不純物源の位置がズマ周辺部において，磁力線のピッチ角が浅いため，イオ不純物輸送の性質を決めるということであり，例えばフン温度勾配がつきにくく，不純物を上流部に駆動するいわレーク状のものが壁から落ちてきてプラズマ中に不純物をゆる熱力（thermal force）が小さく，一方でバルク粒子（こ一旦供給してしまうと，高密度ではその不純物がずっとプこでは陽子）が外へ流れ出る際に不純物を外へ駆動する摩ラズマ中に保持されてしまう可能性を示している．また，擦力が支配的になるため不純物が排出されるメカニズムが核融合反応生成物であるヘリウム灰もプラズマコア中に長シミュレーションでも示されている．時間閉じ込められ排出が困難になる可能性があることを示している．さて，PS 領域では壁由来の不純物が遮蔽され，コアに直接注入したトレーサーは長時間閉じ込められるということフレーク状の物質が溶発するのはプラズマ周辺部と考えは，ではどこにその全く異なった性質を示す領域の境界線られ，この場合は周辺部で共鳴するECHを適用して電場をがあるのだろうかと興味が持たれる．そこで，図５［１２］に制御することにより不純物を排出することが有効かもしれ示すように標準的な（!）中実球の TESPEL に対して，（"）薄いシェル状の TESPEL や，（#）薄いシェルにトレーサーとしての塩素（Cl）を混ぜたもの，および（$）Ar ガスパフを加えて実験を行った．その結果，（"）ではより ! %#に対して浅い位置（典型例として，（!）の #!! #!! ! &$付近）にトレーサーを注入した場合も長時間保持されることが観測された．一方で，（#）のケースの Cl の Li-like 線強度の減衰が!よりも非常に早く，#!"前後に供給された粒子は遮蔽されることを示している［１３］．Ar の Li-like や Be-like 線の強度比の解析でも高密度の場合には Ar は #!0.88−0.93 の位置までしか到達していないことを示している［１］．したがって，境界線は #!0.9（0.85 - 0.93）付近ということになるが，'"線やLi-like線の空間分解能を図５図６（a）不純物輸送特性を示す n-T ダイアグラム．SDCは超高密度プラズマを指す．PS 領域では壁由来の不純物はプラズマ中に蓄積せず，Plateau 領域で不純物が蓄積するケースが観測されている［１２］．（b） PS と Plateau の衝突域での不純物源の位置と輸送の関係の概念図［１２］． TESPEL の各種構造と Ar ガスパフの場合のトレーサー注入位置の概念図．参考文献［１２］の Fig. 2 を引用．２６８ Special Topic Article 3. Progress of Impurity Transport Study with the TESPEL S. Sudo ない［１２］．ECH 印加により不純物の排出が早まる例が図７に示すように観測されており，このECH印加の効果は電場が正方向へ変化したためであると解析されているが，今後系統的な実験が必要である．ヘリウム灰に関してはプラズマコア部であるので，ECH による制御だけでは困難と思われ，一時的に密度を下げるなどの制御が必要になるかもしれないが，現実的なシナリオが可能か今後検討する必要がある．一方，不純物による放射パワー #は一般的に ##!!% $%% ( '%% ( ')% ( $% & & & & 図７不純物の K#線強度の減衰時間が ECH 印可により短くなる例［１２］．図８放射パワー損失率の実験値と計算値．参考文献［１３］の Fig. 3 から引用．図９磁気島に不純物（チタン）を入射したときの発光分布．２方向からの AXUVD（Absolute eXtreme Ultra Violet photo Diode）アレイにより観測．参考文献［１］の Fig. 17 から．と書け，')は不純物密度，!は放射パワー損失率である．TESPEL でほぼ局所的（(#( "）にトレーサーを注入すると， ')% ( ( $% (!( & #')% & "& !')% ( $%#") & と書ける（")は不純物粒子数）ので， #$!% $%% ( '%% ( ") & "& "& と近似できる．不純物を局所的にプラズマ中に注入でき，且つその供給不純物量が前もってわかるという TESPEL の長所を生かして，不純物の注入位置の電子温度・密度を特定した状態で不純物の放射パワーを観測した．各元素の放射パワー損失率 !の実験値といくつかのモデル計算データ［１４‐１６］を図８に示す［１７］．比較的低い Z では実験値と Post の計算値とよく合っており，Z の大きい Gd や W では実験値が Post の計算値の２０‐５０％程度となっている．W の実験値の !を使うと，1.6×1019 個の W（5 mg）が $%#1 keV，'%#1×1020 m−3 の周辺部に局在していると 400 MW の放射パワーとなる．プラズマコア部に侵入せず周辺部に不純物を局在できれば，上記の量の程度でダイバータの熱負荷を軽減できるレベルにあると言える．不純物を周辺部に局在させるというような虫のよい話が可能かということになると，これは磁気島中に TESPEL を使って不純物をプラズマ周辺部の &" '#" " "の磁気島中に入射する実験を行い，図９に示すように２次元の発光分布を観測したところ，磁気島外よりも磁気島内の方が不純物が長く閉じ込められることが見出された［１８］．そこで，磁気島の制御と，磁気島から漏れ出てプラズマコア部に侵入する不純物は ECH による電場制に，内部へ直接注入したトレーサーは長時間保持されるこ御で追い返すシナリオの可能性も考えられる．とがわかった．その結果，不純物の輸送が不純物源の位置３．５まとめおよびプラズマの密度（衝突周波数）に依存することがわトレーサーをプラズマ中にパルス的に直接局所的に注入かった．また，高密度の場合にプラズマ周辺部と内部でのできることやペレットの大きさやシェル構造などを自由に ! # 不純物輸送特性を分ける境界域に関しても調べ，%#! 選ぶことができ，目的に応じて TESPEL の侵入深さを調整付近であることがわかった．上記の結果に基づき不純物制できることなどの TESPEL の特長を活かして不純物輸送御等，炉への展望についても議論した．について調べた．外部から侵入してくる不純物に対してはプラズマ周辺部で遮蔽が起きているような高い密度の場合２６９ Journal of Plasma and Fusion Research Vol.91, No.4 April 2015 謝［８］K. Behringer, Rep. JET-R (87) 08, JET Joint Undertaking, Abingdon (1987). ［９］S. Sudo et al., Plasma Fusion Res. 8, 2402059 (2013). ［１０］Y. Nakamura et al., Nucl. Fusion 43, 219 (2003). ［１１］M. Kobayashi et al., Fusion Sci. Technol. 58, 220 (2010). ［１２］S. Sudo et al., “Study of Transport Characteristics of Multiple Impurities Depending on the Impurity Source Location in LHD” ［EX/P6-32］, paper presented at 25th IAEA International Conference on Fusion Energy St Petersburg 2014. ［１３］S. Sudo et al., Plasma Fusion Res. 9, 1202082 (2014). ［１４］D.E. Post et al., Atom. Data Nucl. Data Tables 20, 397 (1977). ［１５］T. Pütterich et al., Nucl. Fusion 50, 025012 (2010). ［１６］http://www-amdis.iaea.org/FLYCHK/. ［１７］S. Sudo et al., Plasma Fusion Res. 9, 1202147 (2014). ［１８］N. Tamura et al., J. Plasma Fusion Res. SERIES 8, 0975 (2009). 辞国内外の多くの共同研究者や関係する先輩方，同僚の方々，学生諸君に感謝申し上げる．特に，LHD での実験遂行においては，LHD 実験グループと核融合科学研究所技術部のご尽力に感謝申し上げる．参考文献［１］S. Sudo et al., Plasma Fusion Res. 9, 1402039 (2014). ［２］S. Sudo et al., Nucl. Fusion 52, 063012 (2012). ［３］S. Sudo et al., Plasma Phys. Control. Fusion 55, 095014 (2013). ［４］S. Muto et al., Rev. Sci. Instrum. 72, 1206 (2001). ［５］J.L. Schwob, et al., Rev. Sci. Instrum. 58, 1601 (1987). ［６］C. Suzuki et al., J. Phys. B: At. Mol. Opt. Phys. 45, 135002 (2012). ［７］N. Tamura et al., Plasma Phys. Control. Fusion 45, 27 (2003). ２７０