ITERプラズマの高ベータ化の新領域小関隆久a)、小野靖b)、高瀬雄一b) 、杉原正芳a) 日本原子力研究所a) 、東京大学b) 謝辞：藤堂泰、矢木雅敏、岸本泰明、JT−60チームの方々のご協力に感謝します。日本物理学会年会、2004年3月30日、九州大学 ITER運転領域：高β化に向けた課題複合的不安定性：α加熱主体、ブートストラップ電流主体のプラズマでの安定性規格化プラズマ圧力 6 5 4 3 装置限界 (JT -60U ) 2 1 0 BT =1~2T 装置限界 (C -M od ) 0 IT E R 定常運転 (Q ＞5) BT =~ 4T 10 装置限界 (JE T ) 20 保持時間（秒） • • • •抵抗性壁モードRWM （βN>3） •ディスラプション（ベータ限界、密度限界、ロックモード、高 li等に起因）の評価、緩和、予測 IT E R 誘導運転 (Q >10) 400 3000 アルフェン固有モード（α粒子による不安定性）新古典テアリングモードNTM（低規格化小半径r*）磁気リコネクション（高磁気レイノルズ数RM）新領域は？ I. βαの増加 II. 磁気レイノルズ数の増加 III. ラーモア半径の減少 IV. 燃焼プラズマの複合的安定特性 I. 高βαによるα粒子挙動と不安定性 D + T -->3He(3.5MeV) + n • (α粒子） βαの上昇による高エネルギー粒子による不安定化？ • 単一粒子挙動 – トロイダル磁場リップル損失 – 大軌道粒子損失集団的粒子挙動 – Fishbone不安定性 – Sawtoothの安定化／不安定化 – アルフェン固有(TAE)モード不安定性と粒子損失 – アルフェン乱流 TAEモード（波ー粒子相互作用） 1.2 シヤーアルフェン・スペクトラム 1.0 m=1 0.8  w    0.6 wA  2 wA  m=1 m=2 ギャップ 0.2 0.25 vA 2qR アルフェン固有モード 0.4 スペクトラム 0 0 0.50 r/a 0.75 3.0 Em2.0 1.0 m=2 00 1.00 波ー粒子の共鳴条件・イオン速度 v|| w  ＞磁力線方向の位相速度   k ||  モードの励起・反磁性ドリフト w* ＞波のポロイダル方向位相速度 (wA r/m) 逆ランダル減衰効果 TAEモード m  w  w * A  r  アルフェン固有関数 4.0 成長率 0.25 0.50 r/a 0.75 1.00 モード減衰・イオンランダウ減衰・連続スペクトラム減衰・放射減衰  9  w 1  v      *  F A  D wA 4  wA 2  v  wA ITERプラズマTAE発生領域 [K.Shinohara, et al Nucl. Fusion 2001] 高エネルギー粒子による TAEモード励起 • NBI加熱：接線入射、JT60負イオンNBI、~350keV • ICRF加熱：歳差運動、 ~数MeV、 • α加熱：等方的速度分布 3.5MeV （ITERによるα加熱主体における TAEモードの発生） TFTR（DT実験）にて減衰効果を下げることによりα加熱粒子によりTAEモードを励起 ITERプラズマのTAEモード安定性現在のトカマク（多くの場合低ｎモード、単一モード） ITERでは（ｎはトロイダルモード数）１）/の増加により不安定化：増による成長率増加、相対的にバルクプラズマのランダウ減衰率の減少２）低r：より高ｎモードが不安定。 FLRによる安定化（n ~ ） r q2r HINTコードによるTAEモードの線形成長率（0=0.7%, ne0=1020m3, T =19.3keV, /r0=39.1, i0 =5%） [Gorelenkov, et al Nucl. Fusion 2003] ITERでは、中間ｎモード（n~10~20）が、大きなポロイダルモード数ｍが不安定（~ n x nq ~ 100-400) 周波数掃引現象 • JT-60UでのFrequency Chirping mode (100-200ms) [Kusama et. al, Nucl. Fusion 1998] • （有力候補RSAE）非単調増加ｑ分布、大きな粒子起動、トロイダル効果 • 平衡の変化（ｑ分布の変化、電流拡散時間）が、モード周波数の速く大きな変化を起こす。 [Takehi et. al, IAEA conf. 2002] DfRSAE=(vAmDq/2pRq2) 5 q =2.8 min 4 3 2 800 600 400 200 0 0 ITERでは、殆どの不安定アルフェンモードは、高ｎモードであるり、平衡（ｑ分布）の僅かな変化が、１）周波数の大きな変化や、２）モード数の変化となる。 RSAE RSAE 0.2 0.4 r0.6 0.8 アルフェン・カスケード現象となるか 1 流体的-運動論的（波-粒子）非線形現象速い周波数掃引の観測 1〜5ms上下に10-20Hz変化粒子(Vlasov)-MHDシミュレーション [Y.Todo and T.Sato, Phys. Plasmas 1998] 0.3 0.3 1.1 ww 1.0 0.9 0.7 0.5 0.8 200 [K.Shinohara, et al. Nucl. Fusion. 2001] • 高速イオン圧力が小さい場合（0~0.8%）周波数が上下に分離（上方へ~7kHz、下方へ~12kHz ） 400 600 wAt 800 １.高速粒子によるアルフェン固有モードの不安定化２．固有モードのポテンシャル井戸が粒子を捕捉、吐き出し３．周波上昇と下降を発生 ITERにおけるアルフェンモード • Multi time scaleの不安定性 – AE不安定時間（MHD不安定性時間） – α粒子の捕捉と吐出し時間（捕捉粒子の周回時間） – α粒子輸送時間プラズマの空間勾配 • Multi modeの不安定性外部制御システム加熱・電流分布 – 多数の高ｎモード、モード間結合 – 高と高nモードの不安定化によるアルフェン乱流の可能性 – アルフェンモードはプラズマの燃焼を飽和させるか？ DT核燃焼 α粒子生成（α粒子勾配の変化） D  ff D MHD カスケード現象、乱流高n，多数 TAEモード（ α粒子の吐出し、再分配、損失）  新たな分布の形成（飽和、周期、減衰） •流体的 - 運動論的非線形性 –高エネルギー粒子による固有モードの励起、固有モードによるポテンシャルでの粒子捕捉・吐出し D orbit 波-粒子非線形現象ポテンシャル井戸のα粒子捕捉 D trans II：磁気レイノルズ数の増加  0LVA LTe3 2B RM   12  n • 太陽フレア 1012-1014 • ITERプラズマ ~1010 • 磁気再結合装置 ~103 磁気リコネクションは？ • リコネクション速度（なぜ理論より高速？） • リコネクションのエネルギ解放（イオン加熱？） V Xポイント u u シート電流 ITER 粒子の加速磁力線のつなぎかわり磁気圧の上昇太陽フレア 14m 磁気レイノルズ数: RM V 磁気再結合装置TS-3 プラズマ合体を用いた磁気リコネクション実験（TS-3/4による合体実験） 0.3 Anomalous resistivity (<ri) 0.25 0.2 Bx 0.15 0.1 F F 0.05 -1 0 1 2 large ri 3 4 5 6 BX/B// Reconnection rate as a function of Bx 異常抵抗によるリコネクションの高速化電流シート幅がイオンラーマ半径以下に圧縮されると拡散が急増 × (t)[mm] 高速リコネクション [/ri](t) Bxが異なる合体プラズマのトロイダル電流 jx密度の分布と磁気面、イオンラーマ半径ri, (c)電流シートの実効抵抗のシート幅/ri依存性 ITERで想定される低ρi領域（例えばm/n=1/1モード）異常抵抗なしの電流シートを過大に圧縮電流シート（プラズモイド）放出現象 Sheet Anomalous Ejection resistivity 0.3 Sheet Ejection (<ri) 0.25 0.2 B z Vr 0.15 0.1 0.05 -1 0 1 2 3 large ri 4 5 6 BX/B// Reconnection rate as a function of Bx Ejection Bz >> riのMHD領域 ITERでの磁気リコネクション実験は？ • バルクプラズマと電流シートプラズマの磁気レイノルズ数の差が大：電流シートの磁気レイノルズ数の効果の明確化。 • 異常抵抗に代わる速い磁気リコネクション機構解明の可能性。イオンのダイナミックス電子慣性項、電子圧縮性無衝突再結合過程 + JxB nee ホール効果 Sp=5x104 5T 電 104 ITER 子 3 温 10 電子慣性主要度 102 (r >  ) s e 1 e 10 V 100 19 10 圧縮性主要 (rs > e ) e / rs =1.75 e / rs =5 1020 電子密度 m-3 1021 エネルギ I ⌒ 3 / 1 ⌒ 105 Sp=1x105 Sp=2x105 Sp=3.3x105 磁気エネルギー KE 運動エネルギー [Y.Ishii, et al. Phys.Rev. Lett.2002] 時間／ポロイダルアルベン時間 III：規格化ラーモア半径の減少 • • • • 新古典テアリングモード(NTM)。磁気島内でのブートストラップ電流の減少が磁気島を成長。モードの発生には種磁気島が必要。スケーリング則：N ∝ r*、r* の小さいITERでは、低N で不安定化？ITERでのNTMの発生が大きな課題 L w d w    R   Dwrs  CBSrs s p q 2 2 dt rs  s L p w  wd ブートストラップ電流減少効果    wd    //  1/4 磁気島内輸送効果新古典テアリングモードの安定化 • NTMの成長：磁気島内のブートストラップ電流の減少 • NTMの安定化：磁気島内への電流駆動、ECCDによる局所電流駆動 • ITERでの安定化に必要なパワー：<30MW [N.Hayashi, Nucl. Fusion 2004] ITERでは実時間制御による安定化 [A.Isayama, Nucl. Fusion 2002] 新古典テアリングモードの発生機構 • 多くの装置で発生Nはρ＊にほぼ比例。ITERでは低Nで発生。モード発生のρ＊スケーリングは正しいか？ JET [IAEA, Yokohama 1998] DIII-D [Lahaye 2000] ASDEX [Lahaye 2000] JT-60 [IAEA, Sorrento 2000] ν＊依存性が装置間で異なる。複数装置データからスケーリングは困難。 NTMの発生の機構や未知物理パラメータの発掘が必要ラザフォード方程式の精密化 • 磁場に垂直方向の異常粘性による安定化効果の可能性 • イオンの反磁性方向の回転 • 垂直方向の粘性による安定化効果は温度により増加 [S.Konovalov, JPS 2003] ラザフォード方程式を越えた議論４場簡約MHDモデル • 線形解析：イオンの新古典粘性、電子とイオンの反磁性ドリフトによるNTM安定化効果 [A.Furuya, M.Yagi, et al., JPSJ 72,313, 2003] • 非線形解析：NTMが高ベータ乱流によって非線形的に励起される可能性。高ｎから低ｎモードへのカスケード現象確率論的な励起理論 [S.-I.Itoh, K.Itoh, M.Yagi, Plasma Phys. Contr. Fusion 2004] • 線形安定なNTMが、微視的乱流ノイズにより確率論的に亜臨界励起 IV：燃焼プラズマの複合的安定特性 α加熱主体、ブートストラップ電流主体のプラズマでの安定性 fext=50% (Q=5) f=50% (Q=5) 外部制御システム・加熱分布・電流分布・運動量分布核燃焼内部熱源プラズマの空間勾配（圧力勾配の変化） P r Sawtooth NTM ELM 電場・回転の自己生成電流の自己生成 D  ff * 磁場の構造新平衡磁場の形成マクロスケール理想・非理想 MHD揺動 AEモード流れ・回転の構造 Self-organization 波数空間における緩和・カスケード現象ミクロスケール静電的・電磁的揺動 N 新たな分布の自己形成 r* Kink-Ballooning/RWM •安定性改善からは平坦圧力分布,ピーク電流 •しかし、ブートストラップ電流は平坦分布、 • α加熱はピーク分布自律性プラズマの理解電流ホールプラズマの安定性自律性の高いプラズマでの安定性？電流ホールプラズマ輸送シミュレーション実験結果を良く再現 Ti, Te [keV] j [MA/m2] 電流分布形成 1.2 E36639, 5.40 s 1 0.8 0.6 cu rrent 0.4 hole 0.2 0 0 0.2 0.4 0.6 0.8 10 ITB 8 Ti 6 Te 4 (a) 0 0.2 0.4 r/a 0.6 0.8 (b) 1 • 2 0 電場分布形成 1 • 磁気シア反転付近での内部輸送障壁形成による局所的ブートストラップ電流、負の電場の形成自律的な分布形成、巨視的不安定性なし自律性の高いプラズマの安定性 • β限界：低ｎの理想MHD安定性 • 圧力、電流分布の制御による高β プラズマ達成の可能性 • 分布に敏感 1.0 120 p-profile 0.6 100 q-profile A,B 0.4 A B C 80 60 40 0.2 0 0 C 0.2 0.4 q P0/Pmax 0.8 β限界の向上 20 0.6 0.8 1.0 0 r/a ITERでは • さらにα加熱主体（圧力分布） • 安定解が存在するか？制御性はどうか？輸送、MHD、等々を含めた総合的解析 • アトラクター、リミットサイクル？統合コード、研究グリットまとめ I. 高βαによる多数の高ｎモード不安定性： – 核融合燃焼の飽和、高速イオンの損失、カスケード、臨界安定性、アルフェン乱流 II．高磁気レイノルズ数プラズマ：実験室プラズマで、太陽プラズマに迫るデータの取得が可能。 – 電流シートの磁気レイノルズ数の効果の明確化。 – 異常抵抗に代わる速い磁気リコネクション機構の発見の可能性。 III：規格化ラーモア半径の減少： – ITERでのNTMの発生が大きな課題、Multi fieldMHDシミュレーション、確率論的アプローチ IV：燃焼プラズマの複合的安定特性： – α加熱主体、ブートストラップ電流主体の自律性の高いプラズマの安定性、総合的な安定性解析